PIRANTI ELEKTRONIKA
“SENSOR SUHU”
1 D4 ELEKTRONIKA A OLEH KELOMPOK 6: NASYAZAH ANWIN ANWIN A.M. MUHAMMAD SAHAL ALFAZ MAHARDIKA A.
1110171005 1110171026 1110171030
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA 2017
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT karena limpahan rahmat, hidayah,dan berkahnya sehingga penulis mampu menyelesaiak an an makalah tentang ”sensor suhu”. suhu”. Makalah ini merupakan tugas dari mata kuliah Piranti Elektronika yang membahas tentang, pengertian sensor suhu. Selain itu di di dalam makalah ini juga juga membahas mengenai jenis-jenis sensor suhu. Ucapan terimakasih tak lupa pula kami haturkan kepada Ibu Dosen yang telah memberikan dukungan serta arahan dalam pembuatan makalah ini sehingga makalah ini dapat terselesaikan tepat pada waktunya. Tak lupa pula ucapan termakasih kepada semua sumber referensi yang menjadi bahan kajian sehingga dapat melengkapi terselesainya makalah ini. Semoga makalah ini,dapat menjadi referensi bagi pembaca baik itu mahasiswa, pelajar dan siapapun yang dapat mengambil manfaat dari kebeadaannya, dan terbuka kesempatan bagi penulis untuk menerima kritik serta saran untuk menjadi batu loncatan agar lebih baik kedepannya.
Surabaya, 26 November 2017
Tim Penulis
BAB I PENDAHULUAN
A. Latar belakang Seiring dengan munculnya beragam inovasi yang tiada hentinya. Salah satu komponen elektronika yang paling sering kita dengar yaitu sensor suhu. Suhu merupakan salah satu hal yang dapat menjelaskan mengenai kondisi lingkungan. Kebutuhan akan data mengenai kondisi lingkungan sekitar telah mendorong manusia untuk membuat alat yang bisa mengetahui kondisi lingkungan. Pengambilan data berupa suhu suatu lingkungan sangat dibutuhkan, misalnya untuk mengetahui kondisi suhu pada ruang komputer Server yang harus terjaga suhunya. Pengukuran suhu juga sangat dibutuhkan dalam suatu penelitian atau pengamatan pada suatu lingkungan. Hal tersebut te rsebut akan merepotkan dilakukan jika data tersebut t ersebut dibutuhkan secara berkala untuk pengamatan suatu lingkungan. Oleh karena itu dibutuhkan suatu perangkat yang dapat mengukur suhu tersebut dan mengirimkan data itu kapanpun pengamat tersebut mau mengambil data suhu dengan jarak jauh dan dapat menyimpan data tersebut dalam suatu bentuk laporan data (data report). Perangkat ini menggunakan mikrokontroler ATMega16 sebagai pengendali sensor suhu dan pengirim data ke penerima. Pengirim Pengirim data jarak jauh menggunakan menggunakan telepon seluler dengan SMS untuk mempermudah pengunaan dalam kehidupamn masyarakat. B. Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah dari makalah ini adalah 1. Bagaimana definisi sensor suhu ? 2. Apa saja jenis-jenis sensor suhu s uhu serta kelemahan dan kelebihannya? C. Tujuan Dalam makalah ini ada beberapa tujuan yang harus di bahas dan di uraikan secara jelas antara lain sebagai berikut : 1. Untuk mengetahui definisi sensor suhu 2. Untuk mengetahui jenis-jenis sensor suhu serta kekurangan dan kelebihan masingmasing. D. Manfaat Adapun manfaat dari makalah ini sebagai berikut 1. Menambah wawasan tentang definisi sensor suhu serta fungsinya. 2. Untuk menambah pengetahuan tentang bagaimana penggunaan sensor suhu dalam kehidupan sehari - hari.
BAB II PEMBAHASAN
A. Definisi Sensor suhu adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran panas menjadi besaran listrik yang dapat dengan mudah dianalisis besar nya. Ada beberapa metode yang digunakan untuk membuat sensor ini, salah satunya dengan cara menggunakan material yang berubah hambatannya terhadap arus listrik sesuai dengan suhunya. B. Jenis-Jenis Sensor Suhu 1. RTD (Resistance Themperature Detector) RTD adalah salah satu dari beberapa jenis sensor suhu yang sering digunakan. RTD dibuat dari bahan kawat tahan korosi, kawat tersebut dililitkan pada bahan isolator keramik. Bahan kawat untuk pembuatan RTD tersebut antara lain platina, emas, perak, nikel dan tembaga, yang terbaik adalah bahan platina karena dapat digunakan untuk mendeteksi suhu sampai 1500 °C. Sedangkan tembaga hanya dapat digunakan untuk sensor suhu yang lebih rendah dan harganya lebih murah, tet api tembaga mudah korosi. Prinsip kerja RTD: Prinsip kerjanya berdasarkan pada prinsip pengukuran hambatan listrik suatu bahan yang dapat berubah karena pengaruh suhu. Hubungan antara resistansi RTD dan suhu sekitarnya sangat dapat diprediksi, dan sangat memungkinkan untuk pengukuran suhu yang akurat dan konsisten. Dengan memasang sensor suhu RTD dengan arus konstan dan mengukur drop tegangan yang dihasilkan pada resistor, maka resistansi RTD dapat dihitung dan besarnya suhu dapat ditentukan. Sensor RTD mengambil pengukuran ketika arus DC kecil dipasok ke sensor. Arus mengalir melalui impedansi resistor, dan mengalami penurunan tegangan sepanjang resistor. Besarnya arus pasokan yang berbeda dapat digunakan tergantung pada resistansi nominal RTD.. Untuk mengurangi pemanasan sendiri pada sensor RTD, disuahakan arus pasokan harus tetap rendah, umumnya sekitar 1 mA atau kurang dari itu. KONFIGURASI RTD a. Konfigurasi Lilitan Kawat Konfigurasi lilitan kawat merupakan jenis RTD kumparan dalam atau RTD kumparan luar. Konstruksi RTD kumparan dalam terdiri dari kumparan resistif yang dililitkan melalui sebuah lubang pada isolator keramik, sedangkan konstruksi RTD kumparan luar melibatkan lilitan bahan resistif yang berliku-liku di sekitar silinder keramik atau kaca, yang kemudian diisolasi.
Gambar 1. Konfigurasi RTD kumparan kawat b. Konfigurasi Film Tipis Konstruksi RTD Film tipis memiliki lapisan tipis bahan resist if yang disimpan pada substrat keramik yang melalui proses deposisi, yaitu proses sebuah jalur bahan resistif yang kemudian diukir ke sensor menggunakan pemangkasan laser untuk mencapai nilai nominal sesuai karakteristik sensor. Bahan resistif tersebut kemudian dilindungi dengan lapisan tipis dari kaca dan dipasang kabel utama yang dilas ke bantalan pada sensor dan ditutup dengan dengan kaca.
Gambar 2. Konfigurasi RTD film tipis RTD film tipis memiliki keunggulan dibandingkan dengan konfigurasi kumparan kawat. Keunggulan utamanya yaitu bahwa lebih murah, lebih kasar, lebih tahan getaran, dimensi lebih kecil, waktu respon lebih baik, karakteristik hysterisis lebih baik serta ketahanan kemasannya lebih tinggi. Untuk rentang waktu yang lama dan suhu yang tinggi RTD kumparan kawat akurasinya jauh lebih baik, tetapi berkat perkembangan teknologi RTD terakhir, sekarang ada teknologi RTD film tipis yang mampu mencapai tingkat akurasi yang sama dengan RTD kumparan kawat. KELEBIHAN DAN KEKURANGAN Dalam penggunaannya, RTD (PT100) juga memiliki kelebihan dan kekurangan yaitu sebagai berikut.
Kelebihan dari RTD (PT100) : - Ketelitiannya lebih tinggi dibanding dengan 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 (PT100) : - Harga relatif lebih mahal bila dibanding dengan 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 dibanding dengan termokopel.. RTD (PT100) hanya mencapai suhu 650 °C, sedangkan termokopel dapat mencapai suhu 1700 °C. APLIKASI RTD 1. Monitoring temperatur suhu 2. Sensor rtd pada line fuel gas 3. Pengukur suhu di motor lingkungan industri 4. Pengukur suhu di turbin 5. Pengukur suhu di generator industri
2. TERMISTOR Termistor adalah sensor elektronika elektronika yang dipakai untuk mengukur suhu. Prinsip dasar dari termistor adalah perubahan nilai tahanan (atau hambatan atau werstan atau resistance) jika suhu atau temperatur yang mengenai termistor ini berubah. Termistor ini merupakan gabungan antara kata termo (suhu) dan resistor (alat pengukur tahanan).
PRINSIP KERJA Prinsipnya adalah memberikan perubahan resistansi yang sebanding dengan perubahan suhu. Perubahan resistansi yang besar terhadap perubahan suhu yang relatif kecil menjadikan termistor banyak dipakai sebagai sensor suhu yang memiliki ketelitian dan ketepatan yang tinggi. Termistor yang dibentuk dari bahan oksida logam campuran ( sintering sintering mixture), mixture), kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel, berpengaruh terhadap karakteristik termistor, sehingga pemilihan bahan oksida tersebut harus dengan perbandingan tertentu. Dimana termistor merupakan salah satu jenis sensor suhu yang mempunyai koefisien temperatur yang tinggi. Setiap thermistor harus memiliki nilai standar yang diukur pada suhu tertentu. Nilai thermistor dinyatakan dalam Ohm. Suhu yang dipakai untuk mengukur resistansi standar sebuah thermistor adalah 25 °C. Nilai thermistor akan berhenti berubah jika telah tercapai suhu maksimal dari spesifikasi tiaptiap thermistor
Prinsip Kerja Termistor Komponen dalam termistor ini dapat mengubah nilai resistansi karena adanya perubahan temperatur. Dengan demikian dapat memudahkan kita untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik. JENIS-JENIS THERMISTOR a. PTC (Positive Temperatur Coefficient) Termistor jenis PTC ( Positive Positive Temperatur Coefficient ) ini nilai nilai resistansinya akan semakin tinggi apabila suhu yang ada di sekitarnya juga tinggi. Dengan kata lain nilai resistansi dan suhu di sekitar berbanding lurus alias positif.
Perlu dicatat bahwa skala resistansi adalah dalam logaritmik dan resistansinya berubah mulai dari beberapa ratus ohm pada temperatur 75 oC dan beberapa ratus kilo ohm pada temperatur 150 oC. b. NTC (Negative Temperatur Coefficient) Thermistor jenis NTC ( Negative Negative Temperatur e Coefisien) Coefisien) ini nilai resistansinya akan menurun apabila suhu yang berada di sekitar komponen thermistor NTC tersebut tinggi, atau dengan kata lain berbanding terbalik alias negatif.. Termistor jenis ini dibuat dari oksida dari kelompok elemen transisi besi.
APLIKASI TERMISTOR 1. Pendeteksi dan pengontrol . Contoh-contoh sederhana jarak dari alarm-alarm api pada pendeteksi tumor. Kadang-kadang termistor merupakan bagian dari osilator dan frekuensi keluarannya menjadi fungsi temperatur. 2. Compensasi . Sebagian besar resistor dan penghubung pada PTC. Termistor dihubungkan pararel dengan NTC yang komponen-komponennya bisa di nonaktifkan dengan bantuan temperatur. 3. Seperti pada relay temperatur dan saklar . Kegunaan pada efek-efek terhadap pemanasan . Sebagai contoh, pengkarakteristikan dengan NTC bias digunakan untuk mengatur tegangan dan pada penundaan dan waktu sirkuit. Pengkarakterisasian dengan PTC digunakan untuk memproteksi gelombang. 4. Detektor gelombang yang memiliki panjang gelombang yang lebar aplikasi termistor pada photo detektor panjang gelombang dihasilkan pada salah s atu detektor suhu yang disebut dengan termistor balometer. 3. 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 “Thermo“Thermo-electric”. Efek Thermoelectric electric pada Termokopel ini ditemukan oleh seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck pada 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 ”. ”. 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 -200˚C hingga 2000˚C. Selain respon yang cepat dan rentang suhu yang luas, Termokopel juga tahan terhadap goncangan/getaran dan mudah digunakan.
(a)Termokopel (b)Simbol Termokopel PRINSIP KERJA 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 yang terdapat pada Termokopel akan berfungsi berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap) sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas.
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 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 TERMOKOPEL 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.
KELEBIHAN DAN KEKURANGAN Kelebihan Mudah dibaca, karena memiliki layar yang tidak mudah keruh dan skala yang jelas. Akurasi yang tepat dalam pengukuran suhu. Baik digunakan untuk pengukuran variasi suhu dengan jarak kurang dari 1 cm. Termokopel tidak mudah rusak dan tahan lama. Kekurangan:
Kalibrasi yang sulit, saat termokopel dinyalakan, suhu yang tertera adalah suhu pada ruangan tersebut. Hanya dapat digunakan untuk mengukur perbedaan suhu. Termokopel membutuhkan perlengkapan tambahan yang harganya biasanya cukup mahal. 4. IC LM35 Sensor suhu IC LM 35 merupakan chip IC produksi Natianal Semiconductor yang berfungsi untuk mengetahui temperature suatu objek atau ruangan dalam bentuk besaran elektrik . Sensor suhu IC LM35 dapat mengubah perubahan temperature menjadi perubahan tegangan pada bagian outputnya. Sensor suhu IC LM35 membutuhkan sumber tegangan DC +5 volt dan konsumsi arus DC s ebesar 60 µA dalam beroperasi. Bentuk fisik sensor suhu LM 35 merupakan chip IC dengan kemasan k emasan yang berfariasi, pada umumnya kemasan sensor suhu LM35 adalah a dalah kemasan TO-92 seperti terlihat pada gambar dibawah.
(a)Sensor IC (b)simbol sensor IC Dari gambar diatas dapat diketahui bahwa sensor suhu IC LM35 pada dasarnya memiliki 3 pin yang berfungsi sebagai seba gai sumber supply tegangan DC +5 volt, sebagai pin output hasil penginderaan dalam bentuk perubahan tegangan DC pada Vout dan pin untuk Ground. VARIAN SENSOR SUHU IC LM35 LM35, LM35A LM35A memiliki range pengukuran pengukuran temperature -55ºC hingga +150ºC. +150ºC. LM35C, LM35CA memiliki range pengukuran temperature -40ºC hingga +110ºC. LM35D memiliki range range pengukuran temperature 0ºC hingga +100ºC. +100ºC. LM35 PRINSIP 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 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 antena 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: - Suhu lingkungan di deteksi menggunakan bagian IC yang peka ter hadap suhu. - Suhu lingkungan ini diubah menjadi tegangan listrik oleh rangkaian di dalam IC, dimana perubahan suhu berbanding lurus dengan perubahan te gangan output. KELEBIHAN DAN KEKURANGAN * Kelebihan a. Rentang suhu yang jauh, antara -55 sampai +150 oC. b. Low self-heating, sebesar 0.08oC. c. Beroperasi pada tegangan 4 sampai 30 V. d. Rangkaian tidak rumit. e. Tidak memerlukan pengkondisian sinyal. * Kekurangan Membutuhkan sumber tegangan untuk beroperasi APLIKASI IC LM35 - Sistem monitoring suhu ruangan pada laboratorium kimia. - Sistem monitoring suhu rumah kaca. 5. THERMOSTAT Thermostat adalah jenis Sensor suhu Kontak (Contact Temperature Sensor) yang menggunakan prinsip Electro-Mechanical. Thermostat pada dasarnya terbuat dari dua buah lempengan logam yang berbeda koefisien muainya (α) yang direkatkan menjadi satu. Tingkat pemuaian yang berbeda dari dua logam tersebut akan menghasilkan gerakan mekanis melengkung ketika strip atau lempengan bimetal tersebut terkena panas. Bimetal biasanya digunakan pada saklar listrik thermostat, yang biasa diaplikasikan untuk mengontrol elemen pemanas, seperti pada setrika, pemanas air, oven, tungku pembakaran, penanak nasi dan lain sebagainya.Thermostat sering digunakan pada peralatan listrik seperti Oven, Seterika dan Water Heater.
Gambar komponen termostat PRINSIP KERJA
Termostat adalah suatu piranti pengatur suhu yang bekerja secara otomatis berdasarkan prinsip umpan balik. Istilah termostat pertama kali digunakan oleh Andrew Ure pada tahun 1830 untuk menyebut suatu elemen tanggap-panas yang terbuat dari batangan baja dan zink yang dikeling. dikeling. Pada sistem umpan balik yang menggunakan termostat, tinggi atau rendahnya suhu yang diatur dibandingkan dengan suatu acuan. Apabila suhu yang diindera tidak tepat sama dengan suhu acuan, elemen pengindera pada termostat akan bekerja dan da n kemudian mengirim isyrat (biasanya berupa isyarat listrik) untuk menurunkan atau menaikkan suhu sesuai kebutuhan. Sistem umpan balik semacam ini biasanya digunakan pada pengatur sushu ruangan, setrika listrik, pemanas listrik, dan perangkat yang yang memerlukan pembatas panas lainnya. Termostat bimetal (seperti yang dibuat oleh Andrew Ure) merupakan termostat yang sederhana tetapi sangat efektif. Pada setrika listrik, misalnya tingkat panas tertentu akan menyebabkan bimetal tersebut melengkung sehingga kontak listriknya terputus. Terputusnya kontak listrik menyebabkan suhu setrika menurun dan bersamaan dengan itu bimetal kembali lurus sehingga kontak listrik terhubung lagi. Dengan cara k erja alat seperti itu tingkat panas pada setrika tidak akan melampaui batas panas maksimum yang ditetapkan. Termostat yang biasa melengkapi kulkas memanfaatkan suatu cairan asiri. Uap cairan ini akan memberi tekanan yang merupakan umpan balik bagi relai untuk menjalankan atau mematikan kompresor. Pesawat AC untuk rumah tangga menggunakan termostat yang memberikan umpan balik berupa selisih tegangan listrik kepada pemanas atau kompresor pendingin. Untuk gedung besar, lazimnya digunakan termostat pneumantik berupa tabung tembaga yang yang berisi udara. Isyarat tekanan-udara tekanan-udara akan merupakan umpan balik bagi pemanas atau kompresor pendingin.
KEKURANGAN DAN KELEBIHAN Salah satu kelebihan dari sensor bimetal adalah portabilitasnya dan tanpa perlu menggunakan power supply. Namun bimetal biasanya tidak cukup akurat bila dibandingkan dengan perangkat sensor suhu yang lain, selain itu penggunaan sensor bimetal juga tidak mudah untuk menampilkan atau merekam nilai suhu, seperti yang biasa dilakukan oleh sensor termokopel, RTD, RTD, dan jenis sensor suhu lainnya. lainnya. Akan tetapi penggunaan bimetal akan memberikan keuntungan yang pasti bila digunakan dalam aplikasi yang tepat. APLIKASI THERMOSTAT Salah satu aplikasi dari thermostat adalah pada setrikaan listrik pada setrika jika suhu melebihi batas yang telah ditentukan maka setrika akan mati sendiri dan akan ada bunyi "tik", itu sebenarnya adalah Bimetallic temperature sensor yang sedang melengkung. Disini bimetal berfungsi sebagai saklar suhu otomatis yang akan memutus kontak kontak listrik jika suhu suhu setrika melebihi batas yang ditentukan
