DOI: doi.org/10.21009/SPEKTRA.021.02

## ANALISIS PEMANFAATAN DUA ELEMEN PELTIER PADA PENGONTROLAN TEMPERATUR AIR
Meqorry Yusfi 1, a) , Frima Gandi, Heru Sagito Palka
1 Jurusan Fisika FMIPA Universitas Andalas Kampus limau manis Padang 25163
Email: a) meqorry@yahoo.com

## Abstrak
Elemen  peltier  bisa  digunakan  sebagai  pemanas  dan  pendingin.  Pada  penelitian  ini  elemen  peltier digunakan  sebagai  pendingin  air.  Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk  membandingkan  hasil pemakaian  antara  satu  dan  dua  elemen    peltier  pada  sistem  kontrol  temperatur  air.  Alat  dirancang dengan  menggunakan  LM35  sebagai  sensor  temperatur  dan  mikrokontroler  Atmega  8535  untuk mengontrol  sebelum  ditampilkan  ke  LCD.  Sistem  kontrol  On-off  digunakan  pada  sistem  ini.  Hasil penelitian  menunjukkan  bahwa  kemampuan  dari  elemen  peltier  menurun  seiring  meningkatnya  massa air.  Kemampuan  elemen  pertier  dalam  melakukan  proses  pendinginan  bergantung  pada  jenis  transfer panasnya,  walaupun  dengan  menggunakan  satu  elemen  peltier,  transfer  panas  dengan  memanfaatkan heatsink  dan  fan  lebih  baik  daripada  menggunakan  pompa  menggunakan  dua  elemen  peltier.  Dua elemen  peltier  memiliki  kemampuan  menurunkan  temperatur  lebih  cepat  dimenit-menit  awal,  namun untuk  mencapai  keadaan  set  temperatur,  satu  elemen  lebih  cepat  daripada  dua  elemen  peltier  untuk rangkaian yang berbeda. Cara transfer panas dari elemen peltier juga mempunyai pengaruh yang cukup besar pada kemampuan pendinginan air untuk mencapai temperatur minimum.
KataKunci : elemen peltier, sistem kontrol, temperatur air, pendingin

## Abstract
Peltier element can be used as a  heating or cooling in a system. In this research the peltier element is used as a cooler in  water.The research purpose is  to compare the result between one and two element peltier  in  water  temperature  control  system.    The  prototype  is  designed  using  LM35  as  temperature sensor and  Atmega8535  microcontroller to process the output of the sensor before displayed on  LCD. On-off control is used to control the system.  The results show the ability of a Peltier element decreases with the increasing of the mass of water. The ability of peltier element in cooling system depent on heat transfer,  eventough  using one element, heat transfer using  heat sink dan  fan is better than using pump with  two  peltier  element.  Two  element  decreasing  the  temperatur  faster  than  one  in  early  cooling,  but slower to reach setting temperature bu using this circuit. The way to transfer heat from peltier element also have significant effect to get minimum cooling temperature.
Keywords: peltier element, control system, water temperature, cooling

## 1. PENDAHULUAN
Elemen Peltier adalah komponen termoelektrik yang dapat memompa panas dari satu sisi  ke sisi lain  sesuai  arah  arus  yang  diberikan.  Prinsip  kerja  elemen  Peltier  berdasarkan  efek  Peltier,  Joule, Seebeck,  dan Thomson [1].  Ketika  arus DC dialirkan ke elemen Peltier, akan mengakibatkan salah satu  sisi  elemen  Peltier  menjadi  dingin  (kalor  diserap)  dan  sisi  lainnya  menjadi  panas  (kalor dilepaskan).  Elemen  Pertier  dapat  dimanfaatkan  sebagai  pemanas  dan  pendingin  bergantung  pada arah arus yang diberikan.
Elemen  Peltier  berwujud  padat  ,  terdiri  dari  bahan  semikonduktor  tipis  dilapisi  konduktor  serta keramik  dibagian  luarnya  [2].  Elektron  mengalir  dari  tingkat  energi  lebih  tinggi  ke  tingkat  energi lebih  rendah.    Elektron  dari  material  yang  kekurangan  elektron  ( P-type  material )  bergerak  ke material  yang  kelebihan  elektron  ( N-type  material ).  Dalam  keadaan  ini  maka  konektor  akan menyerap energi sehingga sisi ini akan menjadi sisi dingin dari peltier. Di lain pihak, ketika elektron bergerak  dari N-type menuju P-type ,  maka  konektor  akan  melepas  energi  sehingga  sisi  ini  akan menjadi sisi panas dari peltier. Perbedaan temperatur inilah yang akan menghasilkan beda tegangan.
Transfer  panas  dari  elemen  peltier  dapat  dilakukan  dengan  beberapa  cara  seperti  dengan menggunakan kipas dan heatsink, pipa dan kipas, dll. Kemampuan dari sistem pendingin bergantung pada perbedaan temperatur dari kedua sisi elemen, bentuk geometri dan disipasi panas alami [3].
Pemanfaatan  elemen  peltier    banyak  diaplikasikan  dalam  sistem  kontrol  temperatur,    terutama pada  proses  pendinginan  seperti  untuk  sistem  kontrol  temperatur  udara  [4]  dan  temperatur  air  [5]. Pada  penelitian  ini  sistem  kontrol  yang  dipakai  adalah  sistem  kontrol on-off. Sistem  kontrol  ini dipakai  karena  sederhana  dan  tidak  memerlukan  pemrograman  yang  kompleks,  sehingga  dapat diaplikasikan dengan mudah.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  akan  membandingkan  pemakaian  satu  dan  dua  elemen  peltier.  Pemasangan  satu elemen peltier akan menggunakan heatsink dan pompa sebagai alat transfer panas.

## 2.1 Perancangan Sistem Pendingin Menggunakan 1 Elemen Perltier
Gambar 1. Sistem  kontrol temperatur air dengan menggunakan 1 elemen peltier [5]
Sistem kontrol temperatur air dengan menggunakan satu elemen peltier dapat dilihat pada Gambar 1. Kipas (Fan AC), heatsink dan coldsink dipakai untuk mengoptimalkan transfer panas dari elemen peltier ke air.
Proses pengontrolan diawali dengan masukan pada keypad. Ketika sistem rangkaian dihidupkan, LM35 mendeteksi temperatur air sebagai temperatur awal. Temperatur yang diinginkan dimasukkan lewat  keypad.  Sinyal  dari  keypad  akan  diproses  oleh  mikrokontroler.  Jika  terdapat  sinyal  error (selisih  antara  sinyal  terbaca  dengan  sinyal  masukan),  maka  relai  akan  aktif.  Jika  relai  aktif,  maka elemen Peltier dan fan AC hidup.
Elemen  Peltier  akan  memompa  panas  yang  ada  di  dalam  air  ke  luar.  Sisi  bagian  bawah  elemen Peltier  akan  menyerap  panas  lewat  heatsink.  Panas  yang  diserap  akan  dilepaskan  pada  bagian  sisi atas yang akan diserap lagi oleh heatsink. Fan AC membantu untuk mempercepat pembuangan panas
ke  udara.  Proses  ini  terjadi  sampai  temperatur  yang  terbaca  sama  dengan  temperatur  yang dimasukkan. Setelah syarat ini terpenuhi, elemen Peltier akan mati dan berhenti menyerap panas.

## 2.2 Perancangan Sistem Pendingin Menggunakan 2 Elemen Perltier
Perancangan  sistem  pendingin  dengan  2  elemen  peltier  memanfaatkan  pompa  untuk mengoptimalkan  transer  panas.    Elemen  peltier  dipasang  dengan  dua  cara  yaitu  secara  serie  dan paralel.

## Gambar 2.  Sistem  kontrol temperatur air dengan menggunakan 2 elemen peltier.
Dua buah elemen Peltier terpasang pada kedua sisi logam aluminium ( pro liquid cooler heatsink ) seperti ditunjukkan oleh Gambar 2. Logam ini berfungsi sebagai pengonduksi elemen Peltier ke air yang  dipompakan  dari  box  ke  logam  aluminium.  Pada  saat  proses  pendinginan,  sisi  panas  elemen Peltier  juga  dilengkapi  dengan  fan  DC  untuk  mempercepat  pembuangan  panas  ke  lingkungan. Dengan cara ini diharapkan proses pendiginan cepat terjadi dan bisa mencapai temperatur minimum dengan  beban  maksimal.  Pada  saat  proses  pemanasan,  maka  fan  DC  tidak  dihidupkan  karena  sisi elemen Peltier yang didekat fan adalah sisi dingin.
Sensor  LM35  diletakkan  di  dasar  tabung  agar  temperatur  air  yang  jauh  dari  selang  pompa  bisa dideteksi.  Keypad,  LCD  dan  sistem  rangkaian  diletakkan  pada  satu  tempat.  Hal  ini  bertujuan  agar mudah dalam mengoperasikan sistem pengontrolan.
Percobaan  dibagi  menjadi  dua  bagian  yaitu  dengan  menghubungkan  elemen  peltier  secara  serie dan secara paralel  dengan catu daya. Sedangkan sistem kontrol yang dipakai adalah sistem kontrol on-off dengan setting temperatur 15̊ C.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengujian  Kemampuan Satu Elemen Peltier dalam Melakukan Pendinginan
Sistem  pendingin  menggunakan  satu  elemen  peltier  dipasang  menggunakan  kipas  dan  heatsink untuk transfer panas dengan rangkaian seperti pada Gambar 1. Catu daya yang diberikan adalah 12 V/3 A, hasil yang diperoleh seperti terlihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Grafik hubungan temperatur terhadap waktu pada proses pendinginan menggunakan satu elemen Peltier
Kemampuan  pendingin  berkurang  dengan  bertambahnya  massa  beban.  Namun  pada  beban  yang bermassa  150  g  terlihat  kurvanya  hampir  sama  dengan  kurva  pada  beban  bermassa  100  g  seperti terlihat  pada  Gambar  3.  Temperatur  minimum  yang  dapat  dicapai  beban  150  g    dalam  waktu  60 menit  bahkan  lebih  rendah  dibanding  beban  bermassa  100  g.  Pengecualian  ini  terjadi  dikarenakan oleh  temperatur  awal  yang  berbeda.  Temperatur  awal  beban  150  g  lebih  rendah  dibandingkan temperatur  awal  beban  100  g  sehingga  kemampuan  pendingin  lebih  baik  pada  beban  150  g.  Dapat disimpulkan bahwa temperatur ruangan mempengaruhi kemampuan pendingin dalam mendinginkan beban.

## 3.2 Pengujian  Kemampuan Dua Elemen Peltier dalam Melakukan Pendinginan
Berdasarkan  grafik  pada  Gambar  4,  diperoleh  hasil  bahwa  kemampuan  proses  pendinginan  air oleh    dua  elemen  Peltier  yang  dihubung  secara  serie  (b)    tidak  jauh  berbeda  dengan  dua  elemen Peltier yang dihubung secara paralel (a).  Secara teori kemampuan dalam mendinginkan air oleh dua elemen  Peltier  yang  dihubung  seri  lebih  baik  daripada  dua  elemen  Peltier  yang  dihubung  secara paralel. Hal ini dikarenakan elemen Peltier yang dihubung secara seri tidak akan menerima arus yang terbagi melainkan arus yang maksimal, sehingga kemampuan elemen Peltier dalam mendinginkan air juga akan maksimal.
(a)

## (b)
Gambar 4. Grafik hubungan temperatur terhadap waktu pada proses pendinginan menggunakan dua elemen Peltier yang dihubung secara (a) paralel dan (b) serie pada tegangan 12V/3A untuk beberapa massa air
Dua elemen Peltier dapat menurunkan temperatur air bermassa 100 g menjadi 17,2 ̊C selama 45 menit. Nilai temperatur tersebut sama dengan nilai temperatur yang dicapai oleh dua elemen Peltier yang dihubung secara paralel pada massa 100 g., namun pada proses pendinginan air bermassa 100 g dan 150 g terjadi kenaikan temperatur air pada menit 45. Hal ini terjadi karena kemampuan elemen Peltier  dalam  melakukan  proses  pendinginan  menurun  akibat  pengaruh  sisi  panas  elemen  Peltier. Semakin  besar  waktu  maka  sisi  panas  elemen  Peltier  akan  semakin  panas  dan  sisi  dingin  elemen Peltier akan semakin dingin. Sisi panas elemen Peltier dapat mempengaruhi sisi dingin elemen Peltier
karena  heatsink  dan  fan  dc  pada  sisi  panas  berukuran  kecil  sehingga  tidak  maksimal  dalam memompa  kalor  pada  sisi  panas  elemen  Peltier,  serta  heatsink  yang  digunakan  berongga  sehingga kalor pada sisi panas elemen Peltier tidak dapat mengalir secara maksimal ke heatsink.
Temperatur  minimum  yang  dicapai  oleh  satu  elemen  pertier  yang  menggunakan  kipas  dan heatsink    lebih  rendah  (5,7  ˚C)  jika  dibandingkan  dengan  dua  elemen  peltier  yang  menggunakan pompa, heatsink dan fan ac(19,3 ˚C) dalam waktu 60 menit. Dilihat dari proses penurunan temperatur pada  awal  pendinginan,  penggunakaan  pompa  menghasilkan  penurunan  yang  lebih  tajam  di  menit- menit  awal  dibandingkan  tanpa  pompa.  Dapat  disimpulkan,  bahwa  untuk  proses  penurunan temperatur yang cepat dapat menggunakan pompa, namun tidak bisa dipakai untuk temperatur yang sangat rendah dari temperatur ruang.

## 3.3 Pengujian Sistem Kontrol Pendinginan Air
Setelah  mengetahui  kemampuan  dari  pendingin  menggunakan  elemen  peltier,  maka  dirancang suatu  sistem  kontrol pendinginan.  Sistem  kontrol  yang  dipakai  adalah  sistem  kontrol on-off dengan setting temperatur 15 0 C.
Hasil pada pengujian sistem kontrol dengan set temperatur 15 0 C untuk satu elemen peltier dapat dilihat pada Gambar 5. Dari grafik terlihat  waktu yang dibutuhkan untuk mencapai temperatur acuan cukup  lama.  Akibatnya  kecepatan  pendinginan  untuk  menuju  temperatur  acuan  menurun  yaitu 0,0026  °C/s.  Perbedaan  ini  terjadi  karena  temperatur  awal  air  yang  tinggi  dan  set  temperatur  yang rendah sehingga pendingin membutuhkan waktu lama untuk mencapai temperatur acuan. Selain itu, waktu  yang  dibutuhkan  untuk  naik  dari  keadaan  di  bawah  temperatur  acuan  lebih  singkat dibandingkan waktu yang dibutuhkan untuk turun ketika berada di atas temperatur acuan. Begitu juga ketika temperatur air berada pada posisi temperatur acuan, temperaturnya lebih singkat ketika dalam posisi naik dibandingkan ketika dalam posisi turun. Perbedaan ini terjadi karena temperatur ruangan yang berbeda. Jika temperatur ruangan tinggi, maka waktu yang dibutuhkan untuk mempertahankan temperatur  ketika  sistem  kontrol  mati  lebih  singkat. Sebaliknya  ketika  sistem  kontrol  sedang  hidup pada posisi turun, temperatur akan tertahan lebih lama hingga sampai menurunkan 0.5 °C.

## Gambar 5 Grafik pengujian kontrol temperatur menggunakan satu elemen peltier dengan set temperatur 15 °C
Pengujian sistem kontrol menggunakan dua elemen peltier dilakukan untuk set temperatur 17 0 C karena  berdasarkan  hasil  sebelumnya  dalam  waktu  60  menit  kemampuan  elemen  tidak  mencapai temperatur  15 0 C.  Gambar  6  memperlihatkan  proses pendinginan  air  dimulai  pada  temperatur  awal sebesar 27,3 o C saat detik ke-0 sampai temperatur acuan sebesar 17 o C pada detik ke-4491.  Sistem ini dapat mengontrol temperatur yang berkisar pada nilai acuan yang di input kan. Sistem kontrol akan mematikan  proses  pendinginan  saat  temperatur  air  sedikit  lebih  kecil  dari  nilai  temperatur  acuan yaitu  sebesar  16,6 o C.  Setelah  itu  temperatur  air  naik  karena  pengaruh  lingkungan  sampai  17,1 o C. Saat  itu  sistem  kontrol  kembali  mengaktifkan  sistem  pendinginan  sampai  nilai  temperatur  terbaca 16,6 o C dan begitu seterusnya.
Gambar 6 Grafik pengujian kontrol temperatur pada proses pendinginan air menggunakan dua elemen peltier  dengan set temperatur 17 o C
Jika dibandingkan kemampuan sistem kontrol  dari satu elemen dan dua elemen, maka dihasilkan bahwa  dua  elemen  memiliki  kemampuan  menurunkan  temperatur  lebih  cepat  dimenit-menit  awal, namun untuk mencapai keadaan set temperatur, satu elemen lebih cepat daripada dua elemen.

## 4. SIMPULAN
Berdasarkan pengujian dan analisis yang telah dilakukan maka diperoleh kesimpulan:
1. Kemampuan  elemen  pertier  dalam  melakukan  proses  pendinginan  bergantung  pada  jenis transfer panasnya, walaupun dengan menggunakan satu elemen peltier, transfer panas dengan memanfaatkan heatsink dan fan lebih baik daripada menggunakan pompa menggunakan dua elemen peltier.
2. Sistem  kontrol dengan dengan  menggunakan fan dan heatsink menghasilkan set temperatur yang lebih rendah dibandinkan dengan pompa.
3. Dua  elemen  memiliki  kemampuan  menurunkan  temperatur lebih  cepat  dimenit-menit  awal, namun untuk mencapai keadaan set temperatur, satu elemen lebih cepat daripada dua elemen peltier untuk rangkaian yang berbeda.

## UCAPAN TERIMAKASIH
Peneliti  mengucapkan  terimakasih  kepada  DIPA  Universitas  Andalas  yang  telah  membiayai penelitian ini dengan surat perjanjian pelaksanaan penelitian nomor : 01/UN.16/DM/LPPM/I/2015.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Astrain,  David,  and  Álvaro  Martínez  (2012).  Heat  Exchangers  for Thermoelectric  Devices, Heat  Exchangers-  Basics  Design  Applications,  Dr.  Jovan  Mitrovic  (Ed.),  InTech,  DOI: 10.5772/33464.  Available  from:  http://www.intechopen.com/books/heat-exchangers-basics- design-application/heat-exchangers-for-thermoelectric-devices
[2] Gabert, Anders. Temperature Stabilization of Electronics Module. Master’s Thesis. Dept. Of Computer Science and Electrical Engineering Lulea University of Technology (2006) .
[3] Roj,  Robin  ,  Nils  Katenbrink.    Investigation  on  the  Application  of  Different  Air-Cooling- Systems  in a Thermoelectric Setup. Materials Today: Proceedings 2 ( 2015 )p.  714 – 720.
[4] Y. Meqorry, P. Wilka, Derisma. Rancang Bangun Sistem Kontrol Temperatur untuk Proses Pendinginan  Menggunakan  Termoelektrik.  Prosiding  bidang  Fisika  Semirata  2015  Bidang MIPA BKS-PTN Barat Universitas Tanjungpura Pontianak (2015), p. 194–203
[5] Gandhi,  Frima  dan  Yusfi,  Meqorry.  Perancangan  Sistem  Pendingin  Air  Menggunakan Elemen  Peltier  Berbasis  Mikrokontroler  ATmega8535,  Jurnal  Fisika  Unand  Vol.  5,  No.  1 (2016), p.35-41