BAB II DASAR TEORI Sejarah Singkat Termoelektrik. mempunyai peranan penting dalam aplikasi praktik.

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Termoelektrik Sejarah Singkat Termoelektrik Efek termoelektrik merupakan subjek paling penting dalam ilmu fisika di bidang benda padat. Efek utama yang digunakan adalah efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821 dan efek Peltier yang ditemukan oleh Jean Charles Athanase Peltier pada tahun Yang keduanya mempunyai peranan penting dalam aplikasi praktik. Termoelektrik didasarkan pada Efek Peltier. Efek Peltier adalah salah satu dari tiga efek termoelektrik, dua lainnya dikenal sebagai efek Seebeck dan efek Thomsont. Sedangkan dua efek terakhir terdapat pada konduktor tunggal, efek Peltier adalah fenomena khusus persimpangan pada dua batang semikonduktor Efek Seebeck Efek Seebeck pertama kali diamati oleh dokter Thomas Johann Seebeck, pada tahun 1821, ketika ia mempelajari fenomena thermoelectric. Ini terdiri dalam produksi yang tenaga listrik antara dua semikonduktor ketika diberikan perbedaan suhu. Panas dipompa ke satu sisi pasangan dan ditolak dari sisi yang berlawanan. Sebuah arus listrik yang dihasilkan, sebanding dengan gradien suhu antara panas dan dingin sisi. Perbedaan suhu di seluruh konverter menghasilkan arus searah ke beban menghasilkan tegangan terminal dan arus terminal. Tidak ada energi

2 menengah proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit listrik thermoelectric diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi. Penghubung junction 1 dan 2 dari logam semikonduktor yang terbuat dari material yang berbeda, yaitu material A dan material B, dikondisikan dalam temperature yang berbeda T 1 dan T 2. Seperti diilustraikan pada gambar 2.1 berikut ini. B T2 T1 Z A a V b A Gambar 2.1 Sirkuit termoelektrik yang terbuat dari konduktor A dan B dengan temperature junction T 1 dan T 2. Z adalah koordinat sepanjang konduktor yang digabungkan ujung a dan b dari voltmeter Jika sirkuit pada gambar 2.1 mengalami hubungan arus pendek dengan memindahkan voltmeter, arus listrik stasioner akan mengalir. Besarnya arus listrik yang mengalir tergantung dari rasio potensial termoelektrik yang diukur dengan voltmeter dan total hambatan dari sirkuit tanpa voltmeter. Bila nilai potensial termoelektrik yang dihasilkan kecil (pada logam dengan ukuran millivolt), thermocurrent yang terjadi bisa cukup besar jika hambatan kecil.

3 Potensial U diukur dengan menggunakan voltmeter V dimasukkan ke dalam kabel A yang diberikan sesuai dengan persamaan : ( )( ) (2.1) Dengan Q A dan Q B merupakan koefisien Seebeck (daya termoelektrik) dari logam A dan logam B, dimensi dari Q adalah energi / (beban dikalikan dengan temperatur). Satuan dari Thermopower adalah v k B / e 10-4 V/K sedangkan nilai Q yang umum dipakai pada logam adalah lebih rendah dari faktor 10 sampai dengan 100, untuk semikonduktor umumnya lebih tinggi dibandingkan faktor yang identik Efek Peltier Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik pada sistem pendingin. Ketika arus listrik melewati persimpangan dua plat bahan semikonduktor dengan sifat yang berbeda akan terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua plat tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Penyerapan dan pelepasan panas yang terjadi saling berbalik ketika arah polaritasnya dibalik. Jika arus listrik sebesar I sepanjang junction dari dua buah konduktor yang berbeda A dan B dengan koefisien Peltier A dan B menghasilkan kalor dengan tingkat menurut : ( ) (2.2)

4 I Konduktor A Konduktor B Gambar 2.2 Ilustrasi sederhana untuk mengamati efek peltier Pada gambar 2.2 di atas, nilai W bisa saja positif atau negatif. Nilai negatif menandakan pendingin dari junction. Berlawanan dengan pemanasan joule, efek peltier sifatnya reversible dan tergantung dari arah arus listrik. Efek peltier terjadi karena adanya arus listrik yang memiliki arus kalor dalam konduktor homogeny, yang terjadi walaupun temperatur dalam keadaan konstan. Akibat dari arus kalor menurut I. Persamaan kalor peltier merupakan keseimbangan aliran kalor dari dan menuju interface. Arus kalor bersama arus listrik dapat dijelaskan melalui perbedaan kecepatan aliran elektron yang membawa arus listrik. Kecepatan aliran bergantung pada energi dari elektron yang mengalami konduksi. Sebagai contoh, jika kecepatan aliran suatu elektron dengan energi lebih dari potensi kimia (energi Fermi) lebih besar dari elektron dengan energi yang rendah, arus listrik bersama arus kalor dengan arah yang berlawanan (karena beban listrik negatif). Dalam hal ini koefisien Peltier bernilai negatif. Dalam keadaan yang sama akan terjadi juga untuk ȵ semikonduktor, dimana arus listirk yang dibawa oleh elektron dalam kedaan ikatan konduksi. Koefisen Seebeck dan Peltier Q dan menurut hubungan

5 (2.3) yang sudah ditemukan oleh Lord Kelvin, untuk setiap nilai derivasi yang valid hanya dapat dibuktikan setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron atau termodinamika irreversible. Kelvin menghubungkan material semikonduktor untuk menghasilkan dua efek yang berbeda dengan konsekuensi seperti yang dijelaskan pada efek Peltier di atas. 2.2 Elemen Termoelektrik Peltier Elemen termoelektrik Peltier merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari perbedaan suhu yang yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor tersebut akan menyebabkan elektron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin. Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek (efek Seebeck dan efek Peltier), batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan pada dua semikonduktor tersebut, meke elektrin pada sisi panas semikonduktor akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut.

6 panas Temperatur dt dingin Konduktor Tegangan dv panas dingin Gambar 2.3 Pergerakan ion-ion pada logam semikonduktor Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) merupakan alat yang dapat menimbulkan perbedaan suhu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub materialnya, dalam hal ini semikonduktor. Dalam hal refrigerasi, keutungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang bergerak atau cairan yang bersirkulasi dan ukurannya kecil serta bentuknya sangat mudah untuk direkayasa. Sedangkan kekurangan dari elemen peltier ada pada faktor efisiensi daya yang rendah dan biaya perancangan sistem yang masih relative mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. (Rio Wirawan, 2012)

7 Gambar 2.4 Elemen peltier (Sumber : Malcore Wibsite-edited) Elemen peltier tersusun atas serangkaian dua tipe semikonduktor (tipe p dan tipe n) yang dihubungkan secara seri. Pada setiap dua sambungan antara dua tipe semikonduktor tersebut dari logam/tembaga. Interkoneksi konduktor tersebut diletakkan masing-masing dibagian bawah semikonduktor. Konduktor bagian atas ditunjukkan untuk membuang kalor dan konduktor bagian bawah ditunjukkan untuk menyerap kalor. Pada kedua bagian interkoneksi ditampelkan plat yang terbuta dari kramik. Plat tersebut dibuat untuk memusatkan kalor yang ditimbulkan oleh konduktor. Gambar 2.5 Struktur elemen peltier (Sumber : Malcore Wibsite-edited)

8 Elemen peltier yang sedang dialiri oleh arus listrik yang menimbulkan perbedaan suhu pada kedua interkoneksi. Interkoneksi yang dialiri arus listrik dari arah semikonduktor tipe n menuju tipe p akan menyerap kalor atau dengan kata lain menjadi dingin. Sedangkan, interkoneksi yang dialiri arus dari arah semikonduktor tipa pa menuju tipe n akan membuang/mendisipasi kalor atau dengan kata lain menjadi panas. Permukaan Dingin N P Panas Buang Gambar 2.6 Ilustrasi aliran arus pada elemen peltier Interkoneksi anatara semikonduktor pada elemen peltier terbuat dari konduktor yang menyebabkan arus dapat mengalir dalam kedua arah, berbeda dengan diode yang interkoneksinya (depletion layer) hanya membuat arus mengalir dalam satu arah saja. (R. Umoh, 2010).

9 2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendigin Prinsip kerja tremoelektrik sebagai pendingin berdasarkan efek Peltier, ketiaka arus DC dialirkan ke elemen peltier yang terdiri dari beberapa sel semikonduktor tipe p (semikonduktor yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah) dan tipe n (semikonduktor yang memilki tingkat energi yang lebih tinggi), akan mengakibatkan salah satu sisi elemen peltier menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lainnya menjadi panas (kalor dilepaskan). Sisi elemen peltier yang menjadi panas maupun dingin tergantung dari arah aliran arus listrik, seperti gambar di bawah ini; Gambar 2.7 Skema aliran Peltier (Sumber : Malcore Wibsite-edited) Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen peltier menjadi dingin adalah mengalirnya electron dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor

10 tipe p, ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe n. Agar elektron tipe p yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah dapat mengalir maka elektron akan menyerap kalor yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi dingin. Sedangkan pelepasan kalor ke lingkungan terjadi pada sambungan sisi panas, dimana elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe n) ke tingkat energi yang lebih rendah (semikonduktor tipe p), untuk dapat mengalir ke semikonduktor tipe p, kelebihan energi pada tipe n akan dibuang ke lingkungan dan sisi tersebut menjadi panas. Penyerapan kalor dari lingkungan terjadi pada sisi dingin yang kemudian akan dibuang pada sisi panas dari elemen peltier. Membuat nilai kalor yang dilepas pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan daya yang diberikan pada modul termoelektrik, atau sesuai dengan persamaan : (2.4) Dengan : Q h = kalor yang dilepaskan pada bagian hot side elemen Peltier (Watt) Q c = kalor yang diserap pada bagian cold side elemen Peltier (Watt) P m = daya input (Watt) Bila elektron mengalir pada semikonduktor dari tipe p (kekurangan energi), menyerap kalor pada bagian yang didinginkan kemudian mengalir ke semikonduktor tipe n. Semikonduktor tipe n yang kelebihan energi akan membuang (melepaskan) energi tersebut ke lingkukungan dan mengalir ke

11 semikonduktor tipe p dan seterusnya. Seperti yang dilukiskan pada gambar 2.2 di bawah ini : Bagian yang didinginkan (cold sink) Isolator listrik Kondutktor P N P N Semikondutktor Bagian pelepasan kalor (heat sink) e Gambar 2.8 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik (Sumber : Jurnal Teknologi, Maret 2007) Parameter Elemen Termoelektrik Peltier Sebagai Pendigin Pada penggunaan modul termoelektrik terdapat tiga parameter penting yang perlu diperhatikan yaitu : 1. Temperatur permukaan sisi panas Peltier / hot side (T h ) 2. Temperatur permukaan sisi dingin Peltier / cold side (T c ) 3. Beban kalor yang dapat ditransfer dari kompartemen dingin (Q c ) di dalam panas modul, yaitu : Temperatur ambien lingkungan Efisiensi Heat Sink yang digunakan pada sisi panas modul.

12 Beban Pendinginan Isolator Listrik Penghantar Listrik Temperatur Relatif T beban N P Penghantar Listrik Isolator Listrik Jarak dari Beban T isolator T dingin T panas T isolator Pelepas Panas Temperatur Ambien Ambien dt sistem T ambien dt pada elemen Gambar 2.9 Temperatur modul termoelektrik (TEC) (Sumber : Seminar tahunan Teknik Mesin, Desember 2004) Pada gambar 2.9 di atas menggambarkan tentang temperatur sistem termoelektrik. Ada 2 T temperatur yaitu T sistem dan T elemen. T adalah merupakan temperatur perbedaan temperatur antara sisi dingin elemen peltier dan sisi panas elemen peltier. Secara umum pencapaian T (T panas - T dingin ) dari modul termoelektrik selalu mendekati konstan. Jika T panas semakin rendah maka T dingin semakin dingin bila T panas akan semakin tinggi maka T dingin tidak perlu dingin Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier Pada pendingin termoelektrik Peltier terdapat heat sink yang berfungsi untuk menyerap kalor pada sisi dingin elemen peltier maupun pada pembuangan kalor pada sisi panas peltier. Susunan dasar termoelektrik setidaknya terdiri dari

13 elemen-elemen peltier dan heat sink baik pada sisi dingin elemen peltier maupun pada sisi panas, seperti yang diilustrasikan pada gambar 2.4 di bawah ini. Keterangan: Sisi Dingin (Cool Sink) 2. Plat Keramik Dingin 3. Plat Keramik Panas 4. Sel Termoelektrik 5. Sisi Panas (Heat Sink) 6. Sirip-sirip (Fins) 6 Gambar 2.10 Susunan dasar sistem pendingin termoelektrik Peltier (Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat Pipes, The 10 th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok Desember 2007) Bagian yang didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier maupun dihubungkan terlebih dahulu dengan alat penukar kalor sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Alat penukar kalor tersebut dapat berupa fluida. Kalor yang dihasilkan pada sisi panas elemen peltier akan disalurkan ke lingkungan melalui udara baik secara konveksi paksa maupun alami atau dengan media pendingin air maupun cairan lainnya. Susunan pendingin termoelektrik dengan berbagai cara perpindahan kalor baik dari media udara, cairan dan padat dapat dilukiskan pada gambar 2.5 berikut. (Tri Purwadi, 2012).

14 Gambar 2.11 Susunan sistem termoelektrik (Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat Pipes, The 10 th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok Desember 2007) 2.4 Sensor Kelembaban dan Temperatur Untuk mengukur kelembaban udara di suatu ruang diperlukan alat ukur yang disebut hygrometer dan untuk mengukur temperatur digunakan thermometer. Hygrometer dan termometer digital memang tersedia di pasaran dalam bentuk potable, akan tetapi harganya relatif mahal. Kedua alat ukur tersebut biasanya dikemas dalam modul yang terpisah, padahal penggunaannya seringkali diperlukan bersamaan.

15 Humidity Sensor Module (HSM-20G) adalh sensor pengukur kelembaban dan temperatur diadaptasi dalam satu koponen yang produksi oleh Citron Thecnoligy. Gambar 2.12 Sensor Humidity dan Temperatur (HSM-20G) Sensor humidity HSM-20G dimana kelebaban relative bisa dikonversi langsung ke tegangan standart. Macam-macam dari jenis aplikasi yang dapat digunakan oleh sensor ini adalah lembab dan sangat lembab, untuk AC, data loggers kelembaban, automotive climate control, dan lai-lain. Sensor ini memiliki batas karakteristik dimana batas input tegangan DC 5 ± 0,2 volt, sedangkan batas outpu tegangan adalah sebesar DC 1 3 volt, akurasi pengukuran ±5 % RH, operasi arus maksimum 2mA, batas storage RH 0 99 % RH, batas operasi RH % RH (100 % RH intermittent), kondensasi transien < 3 %RH, batas stroge temperatur C 70 0 C, batas operasi temperatur 0 0 C 50 0 C,

16 hysteresis 0 C) maksimal 2%RH, sangat linier, respon waktu (63 % perubahan step) 1 (satu) menit. Semua standart alat ini berdasarkan variasi kelembaban di bawah 60%RH pada saat 25 0 C. Kelengkapan semua tes-tes yang ada, modul ini akan melewati batas bawah nominal lingkungan, juga kelembaban untuk 24 jam. Pada grafik 2.1 dapat terlihat jelas bagaimana hubungan antara nilai kelembaban dan tegangan keluaran yang membentuk garis linier karena kelembaban kberbanding lurus dangan tegangan keluaran. Grafik 2.1 Kurva respon HSM-20G pada 25 0 C Pada tabel 2.1 dapat dilihat bahwa range atau batas untuk nilai kelembaban pada sensor HSM-20G sebagaimana terlihat bahwa nilai tegangan keluaran berbanding lurus dengan presentase kelembaban. Nilai yang tertera di atas nilai batas kelembaban maksimum 90% RH dan batas minimum 10%RH dengan tegangan 0,74 volt dan maksimal 3,19 volt.

17 Tabel 2.1 Pin sensor HSM-20G Pin Fungsi 1 Outpu Temperatur 2 Ground 3 Output Kelembaban 4 Vcc (-5.0V) Dengan setiap kaki atau pin tentu memiliki fungsi yang berbeda-beda untuk dihubungkan antara satu dengan yang lainnya. Pada sensor HSM- 20G terdapat 4 kaki yaitu kelembaban, temperatur, ground dan juga V cc. 2.5 Relay Transistor tidak dapat berfungsi sebagai switch (saklar) pada tegangan Alternating Current (AC) atau tegangan tinggi. Selain itu tidak digunakan sebagai switching untuk arus besar (di atas 5 A). Untuk itu penggunaan relay dalam penelitian ini sangatlah cocok. Disamping relay berfungsi sebagai switch juga berfungsi bekerja berdasarkan input yang dimilikinya. Contact Coil (Kumparan tembaga) Gambar 2.13 Bentuk umum relay (Sumber : Malcore Wibsite-edited)

18 Tabel 2.2 Keuntungan dan kerugian dalam pemakaian relay dibandingkan dengan transistor 1. Relay dapat digunakan sebagai switch AC dan DC (transistor hanya bisa digunaka pada switchi DC) Keuntungan 2. Relay dapat digunakan switch tegangan tinggi (transistor tidak) 3. Relay cocok sebagai switch untuk arus besar 4. Relay mampu switch banyak kontak dalam satu waktu 1. Relay ukurannya jauh lebih besar dibanding transistor 2. Relay tidak dapat switch dengan cepat dibanding transistor Kerugian 3. Relay butuh daya lebih besar dibanding transistor 4. Relay membutuhkan arus input yang lebih besar disbanding transistor Relay sebagai switch tegangan tinggi juga dibutuhkan utnuk transistor tegangan rendah. Relay akan aktif apabila ada masukan input tegangan yang cukup pada basis transistor. Namun demikian, relay juga harus stabil artinya relay harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum. Kecepatan respon relay sebagai switch sangat cepat. Jika ada masukan input atau gangguan, relay akan bekerja hanya dalam waktu ±10 ms. Kecepatan kerja relay sebagai pengaman mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan sistem agar tidak terganggu. (Widodo & Sigit, 2008).