PENGARUH PENAMBAHAN Al2O3 TERHADAP KARAKTERISTIK SIFAT LISTRIK V-t dan V-I KERAMIK ELEKTRONIK ZnO DENGAN SUHU PENYINTERAN 13000C

(1)

ABSTRAK

PENGARUH PENAMBAHAN Al2O3 TERHADAP KARAKTERISTIK SIFAT LISTRIK V-t dan V-I KERAMIK ELEKTRONIK ZnO DENGAN

SUHU PENYINTERAN 13000C

Oleh WARI WAGITO

ZnO merupakan salah satu bahan utama pembuatan varistor yang dapat digunakan sebagai pelindung peralatan elektronik dan listrik dari tegangan lebih. Saat varistor mendeteksi kehadiran tegangan yang berlebih, varistor akan bersifat seperti sakelar yang membuang arus kelebihannya, sehingga tegangan akan turun kembali ke dalam batas normal. Varistor ZnO memiliki sifat nonlinier di mana nilai tahanannya rendah saat dialiri arus yang sangat besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil. Kemampuan varistor ZnO tersebut dapat ditingkatkan dengan menambahkan bahan oksida logam. Dalam penelitian ini menggunakan Al2O3 sebagai bahan dopingnya.

Dalam penelitian ini varistor dibuat dengan beberapa proses yaitu preparasi, pencetakan dan penyinteran. Pencetakan menggunakan metode dry pressing pada tekanan 200 kg/cm3 kemudian disintering dengan suhu 13000C. Varistor yang dihasilkan memiliki ketebalan ± 1,7mm, diameter ± 12 mm dan massa ± 1 gram. Selanjutnya melakukan pengujian karakteristik sifat listrik V-t dengan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif dan karakteristik sifat listrik V-I menggunakan rangkaian pengukuran arus.

Berdasarkan hasil pengujian karakteristik V-t, telah didapatkan karakteristik V-t varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 (0,05%;0,2%;0,5%;0,7% dan 1,0%)

di mana dari karakteristik V-t tiap varistor bekerja dengan baik memotong tegangan impuls. Hal ini karena tiap varistor menunjukkan nilai gradien mendekati nilai nol. Nilai gradien terbaik pada varistor didapat pada doping 0,7% Al2O3 dengan m = -0,86. Sedang untuk hasil pengujian karakteristik V-I tiap

varistor menunjukkan sifat kenonlinieran dengan koefisien nonlinier (β) antara 0,4 – 0,8. Nilai koefisien terendah pada pendopingan Al2O31% dengan β = 0,499.

(2)

ABSTRACT

THE EFFECT OF Al2O3 ADDITIVE ELECTRICAL PROPERTIES I-V AND V-t CHARACTERISTIC OF ZnO VARISTORS WITH

TEMPERATURE SINTERING 13000C

By

WARI WAGITO

ZnO is one of the key ingredient in varistors which can be used as a protector of electronic and electrical equipment from overvoltages. When varistors detect the presence of overvoltage, varistor performs like throwing switch to excess flow, then voltage will decrease to within normal limits. The Capability of ZnO varistors can be improved by adding metal oxide materials. In this study Al2O3 is

used additive material.

In this study varistors are made by some process of preparation, printing and sintering. Printing using dry pressing method at a pressure of 200 kg/cm3 then sintering temperature of 13000C. Varistors are produced at a thickness of ± 1,7 mm, ± 12 mm diameter and mass of ± 1 gram. Further testing electrical properties of V-t characteristics using capacitive impulse voltage generator and electrical properties of I-V characteristics using current measurement circuit.

Based on the testing are obtained V-t characteristics of pure ZnO varistors and ZnO-Al2O3 varistors (0,05%, 0,2%, 0,5%, 0,7% and 1,0%) are obtained where the

V-t characteristics of each varistor works well by cutting impulse voltage. This thing is because varistor shows gradient value to come near zero value. Best gradient value varistor gotten at doping 0,7% Al2O3 with m = - 0,86. As for the

results of testing the I-V characteristics of each varistor shows the nature of nonlinearity with coefficient (β) between 0,4 to 0,8. The lowest coefficient is obtained in addition Al2O31% with β = 0,499.

(3)

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang dan Masalah

Sudah dikenalnya penggunaan bahan materi Seng Oksida (ZnO) sebagai pengganti Silikon karbon (SiC), maka sudah banyak industri yang menggunakan bahan dasar ZnO sebagai peralatan elektronik. Pada dasarnya, penyebab utama dari pergeseran arah teknologi penggunaan ZnO ini tidak lain karena pihak industri pada umumnya merasakan nilai produksinya yang lebih efisien dan murah serta mudah didapat. Dapat dilihat bahwa hampir disemua bidang industri eletronika menggunakan ZnO yang fungsinya sebagai: gas sensor, piezoelectric

device, LED substrate, transparent electrode, varistor, UV laser substrate dan

banyak lagi lainnya. Lambat namun pasti, suatu saat ZnO akan menggantikan sepenuhnya kedudukan SiC untuk memproduksi peralatan-peralatan semi konduktor. Sedangkan kelebihan dari ZnO mempunyai konduktifitas dan sifat kenonlinieran yang lebih besar dibanding SiC. Konduktifas elektrik ZnO dapat ditingkatkan dengan cara mendopan dengan unsur kimia golongan IIIA seperti Aluminium, boron, galium dan indium1. Pada proses pendopanan peneliti sebelumnya melakukan pemberian variasi persentase yang berbeda-beda, ZnO yang didopan Al2O3 mempunyai puncak fasa yang paling tinggi dengan komposisi

(4)

campuran 0,05% mol Al2O32 dan dengan komposisi 1% mol Al2O3 mendapatkan

kenonlineran yang paling tinggi3.

ZnO merupakan salah satu bahan utama pembuatan varistor yang dapat digunakan sebagai pelindung peralatan elektronik dan listrik dari tegangan lebih. Saat varistor mendeteksi kehadiran tegangan yang berlebih, varistor akan bersifat seperti sakelar yang membuang arus kelebihannya, sehingga tegangan akan turun kembali ke dalam batas normal. Varistor dipakai sebagai komponen pengaman rangkaian dan komponen yang peka atau kritis terhadap tegangan transien yang muncul secara tiba-tiba. Tegangan transien memicu varistor bekerja membuang arus transien yang timbul sehingga elektronika terhindar dari kerusakan. Tegangan transien dapat memasuki rangkaian karena energi misalnya petir, terjadi di dekat rangkaian. Energi transien yang terlampau besar atau melebihi batas maksimal tegangan yang dapat diproteksi akan menyebabkan varistor rusak. Dalam bidang tenaga listrik khususnya jaringan tegangan tinggi, komponen varistor ini tidak dioperasikan secara sendiri melainkan terintegrasi dengan komponen lain dan secara keseluruhan disebut lighting Arrester, akan tetapi dikalangan ahli kelistrikan sendiri, komponen varistor ini diberi penamaan valve resistor. Komponen varistor yang terpadu dalam arrester tersebut mempunyai peranan yang sangat vital guna melindungi peralatan tenaga listrik dari gangguan alam yaitu surja petir dan gangguan dari sistem sendiri yaitu surja hubung.

2_{Abdullah, Huda. Saadah, Nur Habibi. Ariyanto, Nugroho. Salleh, Muhamad Mat, Kesan} Pengedopanan Rendah ke Atas Bahan Nanostruktur ZnO: Al sebagai Lapisan Anti Pantulan, Journal Sains Malaysiana 38, (Mei 2009), h. 679-683

3_{Patil, D. R, Patil L. A. 2007. Ethanol Gas Sensing Properties of Al}

(5)

Proses pembuatan varistor meliputi proses preparasi, pembentukan atau pencetakan, dan penyinteran, sangat mempengaruhi baik atau tidaknya kualitas suatu keramik varistor. Pada penelitian ini untuk proses preparasi bahan dasar yang digunakan adalah ZnO dengan kemurnian 99% yang didopan oleh Al2O3,

dengan variasi komposisi persentase Al2O3 yang ditambahkan adalah 0.05%,

0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol, untuk mencampur kedua senyawa tersebut menggunakan aceton dan magnetic stirrer yang dipanaskan di atas hotplate. Pada penelitian ini proses pencetakan keramik varistor menggunakan metode dry

pressing dengan tekanan 200 kg/cm2, berdasarkan penelitian sebelumnya yang

dilakukan oleh Agung Sayukti dengan tekanan 150 kg/cm2 memiliki batas butir yang kurang baik, sehingga pada penelitian ini tekanan ditingkatkan menjadi 200 kg/cm2. Karena berdasarkan proses pembuatan varistor dan nilai-nilai tipikal yang dikeluarkan berbagai pabrik tekanan yang diberikan antara 100 - 400 kg/cm2. Sedangkan untuk proses penyinteran atau pemanasan keramik varistor menggunakan furnace dengan suhu penyinteran 1300 0C dengan waktu penahanan selama 2 jam. Proses penyinteran ini telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dengan memvariasikan suhu pembakaran yakni 1100 0C dan 1300 0C. Dari kedua variasi suhu tersebut proses penyinteran dengan suhu 1300 0C memiliki hasil yang lebih baik karena batas butir varistor yang dihasilkan lebih sedikit sehingga medan listrik pada varistor semakin kecil akibatnya proses yang diperlukan untuk mencapai proses tembus pada varistor tersebut semakin cepat terjadi4.

(6)

Setelah proses pembuatan varistor selesai maka dilanjutkan dengan pengujian karakteristik sifat listrik diperlukan untuk melihat unjuk kerja dari sebuah varistor, dalam tahap akhir ini pengujian karakteristik sifat listrik varistor yaitu I dan V-t. Dimana dari pengujian karakteristik V-I tersebut dapat diketahui kenonlinieran varistor, sedangkan pada pengujian karakteristik V-t dapat diketahui keberhasilan sebuah varistor memotong gangguan tegangan impuls yang datang dengan waktu tertentu. Pada penelitian ini pengujian karakteristik listrik dilakukan pada varistor ZnO murni dan varistor ZnO dengan dopan Al2O3 dengan lima komposisi yang

berbeda, sehingga pada data yang diperoleh nanti diharapkan terdapat berbedaan yang cukup signifikan dan lebih mudah dianalisis.

B. Tujuan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk :

1. Membuat keramik elektronik ZnO-Al2O3 untuk aplikasi varistor.

2. Menganalisis karakteristik sifat listrik V-t dan V-I keramik elektronik ZnO murni.

3. Menganalisis pengaruh penambahan Al2O3 yang diberikan pada keramik

elektronik ZnO terhadap karakteristik sifat listrik V-t dan V-I.

C. Kerangka Pemikiran

Pada penelitian ini telah dilakukan proses pembuatan varistor ZnO-Al2O3,

karakteristik sifat listrik V-t dan V-I varistor ZnO-Al2O3 dan pengaruh variasi

komposisi dopan Al2O3 yang diberikan pada ZnO terhadap karakteristik sifat

(7)

penyinteran, tahapan pertama proses preparasi terdiri dari pencampuran ZnO dengan Al2O3 dengan variasi komposisi campuran yang ditambahkan 0.05%,

0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol. Proses pencampuran ini menggunakan aceton sebagai bahan perekat antara ZnO dan Al2O3 kemudian dipanaskan dengan

menggunakan hotplate serta proses pengadukan menggunakan magnetic stirrer selanjutnya dilakukan pengeringan dioven dengan suhu 80 0C selama 24 jam akhirnya digerus menggunakan mortal dan spatula. Tahapan kedua pencetakan sampale ZnO murni dan ZnO-Al2O3 dengan metode dry pressing dengan tekanan

200 kg/cm2. Tahap selanjutnya yaitu penyinteran pelet varistor, penyinteran varistor dilakukan dengan suhu 1300 0C selama 2 jam penahanan.

Untuk pengujian karakteristik sifat listrik V-t dengan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif dan karakteristik sifat listrik V-I menggunakan rangkaian pengukuran arus.

D. Hipotesis

Varistor ZnO yang didopan dengan zat aditif Al2O3 dengan komposisi 0.05%,

0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol dengan penyinteran suhu 1300 0C akan memiliki karakteristik sifat listrik V-t dan V-I yang lebih baik dibandingkan dengan varistor ZnO murni.

Untuk meningkatkan konduktifitas varistor ZnO murni sehingga karakteristik sifat listrik V-t dan V-I yang didapat lebih baik maka dapat dilakukan dengan penambahan dopan berupa zat aditif logam oksida, seperti Al2O3, CuO, Fe2O3,

(8)

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Zinc Oxide (ZnO)

Oksida Seng adalah senyawa anorganik dengan rumus kimia ZnO dan biasanya terlihat sebagai suatu serbuk yang putih, hampir tidak dapat larut di dalam air. ZnO berwujud kristal heksagonal putih yang dapat dilihat pada gambar 1, kristal oksida seng menunjukkan efek piezoelectric akan berubah warna menjadi kuning saat dipanaskan dan akan kembali berwarna putih setelah didinginkan. ZnO terdapat di alam sebagai mineral zinctie dan merupakan semikonduktor dengan pita energi 3,3 eV. Keuntungan ZnO dengan pita energi yang besar berkemampuan untuk mendukung medan listrik yang besar, noise elektronik lebih rendah, dan operasi daya tinggi serta mempunyai suhu yang tinggi sekitar 19750C.

Gambar 1. Struktur Kristal ZnO5

(9)

B. Aluminium Oxide (Al2O3)

Aluminium oksida adalah sebuah senyawa kimia dari aluminium dan oksigen, dengan rumus kimia Al2O3. Nama mineralnya adalah alumina, dan dalam bidang

pertambangan, keramik dan teknik material senyawa ini lebih banyak disebut dengan nama alumina. Aluminium oksida adalah insulator (penghambat) panas dan listrik yang baik. Umumnya Al2O3 terdapat dalam bentuk kristalin yang

disebut corundum atau α-aluminum oksida yang ditunjukkan pada gambar 2. Al2O3 dipakai sebagai bahan abrasif dan sebagai komponen dalam alat pemotong,

karena sifat kekerasannya.

Aluminium oksida berperan penting dalam ketahanan logam aluminium terhadap perkaratan dengan udara. Logam aluminium sebenarnya sangat mudah bereaksi dengan oksigen di udara. Aluminium bereaksi dengan oksigen membentuk aluminium oksida, yang terbentuk sebagai lapisan tipis yang dengan cepat menutupi permukaan aluminium. Lapisan ini melindungi logam aluminium dari oksidasi lebih lanjut. Ketebalan lapisan ini dapat ditingkatkan melalui proses anodisasi. Beberapa alloy (paduan logam), seperti perunggu aluminium, memanfaatkan sifat ini dengan menambahkan aluminium pada alloy untuk meningkatkan ketahanan terhadap korosi. Al2O3 yang dihasilkan melalui anodisasi

bersifat amorf, namun beberapa proses oksidasi seperti plasma electrolytic

oxydation menghasilkan sebagian besar Al2O3 dalam bentuk kristalin, yang

meningkatkan kekerasannya6.

(10)

Gambar 2. Al2O3 dalam bentuk kristal corundum7

C. Varistor Keramik ZnO

Varistor (variable resistor) dikenal juga dengan voltage dependent resistor (VDR). Artinya saat varistor mendeteksi kehadiran tegangan yang berlebihan, akan bersifat seperti sakelar yang membuang arus kelebihannya melalui varistor. Diharapkan tegangan turun kembali ke dalam batas normal. Varistor dipakai sebagai komponen pengaman rangkaian dan komponen yang peka atau kritis terhadap tegangan transien yang muncul secara tiba-tiba. Tegangan transien memicu varistor bekerja membuang arus transien yang timbul. Rangkaian elektronika terhindar dari kerusakan. Tegangan transien dapat memasuki rangkaian karena energi misalnya petir, terjadi di dekat rangkaian. Energi transien yang terlampau besar akan menyebabkan varistor rusak. Varistor yang terbuat dari bahan oksida metal disebut MOV (metal oxide varistor)8.

Jika suatu surja petir tiba pada terminal varistor dan membuat sela varistor terpercik, maka gambar rangkaian ekivalen varistor adalah seperti ditunjukkan pada gambar 3 a. Tegangan pada terminal varistor saat mengalir arus surja adalah:

7_{Anonim 2, Aluminium Oksida, http://id.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oksida,(6 November} 2009).

(11)

Vt = is x R ... (1)

Dimana :

is = arus surja (A)

R = tahanan resistor tak linier (ohm)

Gambar 3. Rangkaian ekivalen dan karakteristik varistor9

Misalkan karakteristik dari resistor tak linier adalah seperti pada gambar 3.b dan arus surja yang mengalir pada varistor adalah seperti pada gambar 3.c. Dalam selang waktu 0 sampai dengan t1, arus surja naik dan mencapai nilai puncak is = ip.

Dalam selang waktu ini tahanan R mengecil, sehingga kenaikkan tegangan varistor dibatasi sampai Va. Seandainya tahanan resistor R konstan, maka saat

arus surja mencapai nilai puncak, tegangan di terminal varistor adalah Vt = V1.

Artinya tegangan sistem tetap tinggi, sehingga tujuan perlindungan tidak tercapai. Dalam selang waktu t1 sampai dengan t2, arus surja menurun, tahanan resistor R

membesar. Saat arus surja menjadi nol, masih tersisa arus susulan yang relatif kecil. Arus susulan ini juga akan semakin kecil karena tahanan R semakin membesar, hingga akhirnya juga tersisa arus kecil yang disebut arus kendali10.

(12)

Biasanya arus kendali ini kurang lebih 50 A. Saat tegangan sistem nol, percikan pada sela padam, sehingga arus kendali menjadi nol dan tidak berlanjut lagi.

D. Proses Pembuatan Material Varistor

Proses pembuatan keramik varistor tidak jauh berbeda dengan teknik pembuatan keramik pada umumnya. Tahapan dasar dalam pembuatan keramik dengan cara pengelompokan partikel adalah preparasi material, pembentukan, dan perlakuan penyinteran.

Gambar 4. Mekanisme pengepresan kering pada serbuk dan penyinterannya10

(13)

1. Preparasi Material

Ada beberapa zat yang digunakan untuk membuat keramik varistor, namun yang sudah banyak diteliti adalah varistor dengan bahan dasar ZnO. untuk menghasilkan karakteristik non-linier yang baik, dalam pembuatan varistor dapat ditambahkan zat oksida logam sebagai dopan. Preparasi material dilakukan untuk menyiapkan material dasar maupun dopan yang akan digunakan untuk membuat keramik varistor. Perhitungan bahan kimia ZnO dan Al2O3 yang digunakan untuk

mengkonversi % mol dalam bentuk gram, dapat dicari dengan hubungan antara massa(m), jumlah mol(n) dan massa molekul relatif (Mr) suatu zat11.

m = Mr . % n ...(2)

Produk keramik yang dibuat dengan cara aglomerasi partikel dapat dibentuk dengan berbagai metode baik dalam keadaan kering atau cair. Salah satu metode pembentukan produk keramik yang biasa digunakan adalah teknik pengepresan. Metode pembentukan yang akan digunakan dalam penelitian ini adalah metode pengepresan kering (dry pressing). Pengepresan kering dapat didefinisikan sebagai pengepakan uniaksial secara simultan dan pembentukan butiran bubuk dengan bahan pengikat dalam sebuah cetakan (die).

(14)

Gambar 5. (a) Posisi alat press hidrolik dan die pada proses pengepresan, dan bagian-bagian die, (b) bagaian atas, (c) bagian tengah, dan, (d) bagian bawah.

3. Perlakuan Penyinteran

Sintering adalah proses pembakaran dan pemadatan sesuatu yang dibentuk dari partikel serbuk. Pada pemadatan terjadi proses ikatan antar partikel dan partikel yang sudah berikatan tumbuh bergerak mendesak porositas atau rongga antar partikel. Pembakaran dimaksudkan untuk meningkatkan energi aktivitasi dan energi transportasi atom. Semakin tinggi suhu sintering dimungkinkan semakin cepat proses pembentukan kristal tersebut. Tinggi rendahnya suhu juga berpengaruh pada bentuk serta ukuran celah dan juga berpengaruh pada struktur pertumbuhan kristal. Prinsip yang melandasi proses sintering dapat diilustrasikan seperti gambar 6.

Proses sintering dipakai untuk pemadatan pelet mentah, Pelet ini berbentuk silinder yang mempunyai rasio tinggi pelet terhadap garis tengahnya sama dengan

b c d

(15)

satu. Jika energi aktivasi berasal dari panas maka terjadi pemindahan massa antar butir melalui mekanisme difusi dengan pergerakan loncatan acak. Partikel atau butir yang sudah bergabung akan tumbuh dan menuju suatu bentuk yang mempunyai luas permukaan terendah, misalnya bentuk bola, yang merupakan suatu bentuk ideal, dan bentuk poligon yang mempunyai sisi paling banyak. Parameter yang digunakah untuk mengendalikan proses sintering adalah densitas, laju pemanasan, suhu, dan waktu sintering. Densitas adalah ciri karakteristik pemadatan, pengkerutan merupakan karakteristik bahan, dan mikrostruktur adalah visualisasi karakteristik bahan secara menyeluruh.

(a) (b)

Gambar 6. (a) Sebelum disintering, permukaan tidak menyatu. (b) Setelah disintering butiran-butiran hanya ada satu permukaan saja.

(16)

atau potensial kimia antar permukaan partikel, yang dipusatkan pada titik kontak partikel berdekatan12.

F. Karakteristik Volt-waktu (V-t) dan Volt-Ampere (V-I) Varistor

1. Pengukuran Tegangan Impuls Menggunakan Pembagi Tegangan Resistif Dalam sistem pengukuran dengan pembagi resistif (gambar 7.a) sebaiknya kabel ukur K dihubungkan pada CRO dengan impedansi surya Z sehingga membebani pembagi dengan resistansi efektif yang sama. Gangguan terpenting dari prilaku ideal pembagi diakibatkan oleh kapasitansi bumi dari cabang tegangan tinggi R, yang harus panjang untuk mengisolasi tegangan lebih tinggi. Kapasitansi C dalam rangkaian ekivaken dalam gambar 7.b yang dihubungkan ditengah-tengah R1.

Dengan menggunakan persamaan maka respon satuan dari rangkaian ini dapat diturunkan sebagai :

... (3)

Dengan pendekatan (R1 = R1 + R2) » R2 diperoleh nilai konstan waktu T :

TR ≈ RC ... (4)

Pembagi resistif sangat menguntungkan digunakan untuk mengukur tegangan impuls yang curam dengan waktu yang tidak terlalu panjang. Pembagi untuk tegangan impuls terpa hubung harus dibuat dengan resistansi R yang besar karena pemanasan dan pembebanan dari sumber tegangan, yang menghasilkan respon transien kurang menguntungkan pada perubahan tegangan yang cepat.

12_{Sugindo, Analisis pemadatan, pengkerutan, dan Pertumbuhan butir sintering UO}

(17)

Penghantar

Gambar 7. Sistem pengukuran tegangan impuls dengan pembagi resistif (a)diagram rangkaian

(b)rangkaian ekivalen dengan kapasitansi bumi13

Tegangan keluaran akan menuju suatu nilai batas :

... (5) Untuk tegangan diatas 1MV maka konstruksi pembagi resistif respon cepat menjadi semakin sulit, dikarenakan pengaruh kapasitansi bumi harus dikompensasi dengan meningkatkan kapasitansi gandeng pada elektroda tegangan tinggi. Karena itu lalu diperoleh pembagi resitif yang dikehendaki.

2. Pembangkit Impuls Tegangan Kapasitif

Umumnya tegangan impuls dibangkitkan dengan meluahkan muatan kapasitor tegangan tinggi (melalui sela atau switching) pada suatu rangkaian kapasitor, dan sering digunakan sebagai rangkaian pengali tegangan. Nilai puncak dari tegangan impuls dapat ditentukan dengan bantuan sela ukur atau dengan rangkian elektronik dikombinasikan dengan pembagi tegangan. Alat ukur tegangan impuls

(18)

yang terpenting adalah osiloskop sinar katoda yang memungkinkan penentuan nilai-nilai sesaat melalui pembagi tegangan.

Pada gambar 8 menunjukkan tiga contoh tegangan impuls dengan parameter-parameternya. Ketergantungan terhadap waktu maupun tempo tegangan impuls tergantung pada cara pembangkitannya. Untuk percobaan dasar maka sering digunakan tegangan impuls persegi yang melonjak hingga nilai yang hampir konstan, maupun tegangan impuls berbentuk baji yang cirikan dengan suatu kenaikan yang selinier mungkin hingga terjadi tembus dan digambarkan dengan kecuraman S.

Gambar 8. Contoh tegangan impuls (a) tegangan impuls persegi, (b) tegangan impuls berbentuk baji, (c) tegangan impuls eksponensial ganda14

Untuk keperluaan pengujiaan maka tegangan impuls dibakukan, tanpa isolasi yang cukup berarti maka tegangan impuls ini cepat mencapai nilai maksimum, nilai puncak Û, dan kemudiaan meluruh perlahan menuju nol. Jika terjadi tembus secara sengaja ataupun tidak disengaja dalam rangkaian tegangan tinggi selama penerapan impuls (yang menyebabkan hilang secara mendadak), maka tegangan terjadi disebut sebagai tegangan impuls yang dipotong. Pemotongan dapat terjadi pada bagian depan, pada puncak atau pada punggung dari tegangan impuls.

(19)

U0

Dengan demikian gejala transien yang diinduksikan merupakan penyebab dari osilasi yang ditunjukkan pada gambar 8.c.

Gambar 9 menunjukkan dua rangkaian dasar untuk membangkitkan tegangan impuls yakni rangkaian a dan rangkaian b.

Gambar 9. Diagram rangkaian pembangkit tegangan impuls15

Kapasitor implus (Cs) dimuati melalui suatu resistansi dengan tegangan searah U0

(U0 = V0 ) dan kemudian diluahkan dengan menyalakan sela (F) tegangan impuls

U(t) akan muncul pada kapasitor beban (Cb). Kedua rangkaian berbeda dalam hal penempatan resistor peluahan (Re) terhadap resistor rendaman (Rd). Nilai elemen rangkaian menentukan bentuk kurva tegangan impuls. Prinsip kerja kedua rangkaian cukup mudah untuk dipahami. Waktu dahi yang singkat membutuhkan pengisian muatan yang cepat pada Cb hingga nilai puncak (Û) sedangkan waktu punggung yang panjang berarti peluahan yang lambat dan ini dicapai dengan Re

›› Rd. Segera setelah penyalaan F pada t = 0 maka hampir seluruh tegangan U0

muncul pada rangkaian Rd Cb dalam kedua rangkaian. Semakin kecil nilai Rd Cb maka akan semakin cepat tegangan U(t)mencapai nilai puncak. Nilai puncak Û

15

Kind, Dieter, Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi, (Bandung : ITB, 1993), h. 35

(20)

akan selalu kurang dari nilai tegangan yang dapat dihasilkan dengan muatan awal U0Cs yang terbagi pada Cs + Cb. untuk nilai efisien medan (η) berlaku persamaan berikut :

η =

... (6)

Cs ›› Cb harus dipilih untuk mendapatkan Û yang setinggi mungkin (untuk U0

tertentu). Peluruhan tegangan impuls dalam rangkaian a terjadi dengan konstanta waktu Cs (Rd + Re) dan dalam rangkaian b dengan konstanta waktu Cs Re. Energi impuls yang diubah dalam sebuah peluahan dinyatakan dengan persamaan berikut:

W =

... (7)

Jika dalam persamaan diatas nilai U0 diganti dengan tegangan pengisian terbesar yang mungkin terjadi maka diperoleh energi impuls maksimum yang merupakan parameter penting untuk pembangkit tegangan impuls.

3. Karakteristik Volt-Waktu (Volt-time Characteristic)

(21)

didapat dengan menghubungkan ketiga puncak dari tiga gelombang di atas, merupakan karakteristik volt-waktu dari isolasi yang harus menahan bermacam-macam gelombang tegangan yang datang pada gardu. Lengkung ini juga melalui titik-titik lompatan api pada puncak (Lengkung F) dan lompatan api 50% (Lengkung G).

Gambar 10. Karakteristik volt- waktu16

Keterangan gambar 10, sebagai berikut : A = Gelombang impuls yang datang B = Gelombang cepat, terpotong pada muka

C = Gelombang terpotong pada ekor D = Gelombang penuh

E = Lengkung volt-waktu F = Gelombang terpotong pada puncak

G = Gelombang terpotong pada ekor dengan kemungkinan lompatan 50%

Jadi, lengkung volt-waktu adalah lengkung yang menghubungkan puncak-puncak tegangan lompatan api bila sejumlah impuls dengan bentuk tertentu ditrapkan

16

(22)

pada isolasi, dengan kata lain lengkung volt-waktu adalah tempat kedudukan titik dengan koordinat (tlompatan, Vmaks).

4. Karakteristik Volt-Ampere Varistor

Karakteristik varistor ZnO terdiri dari 3 (tiga) daerah tegangan kerja yang dibentuk oleh adanya hubungan tegangan dan arus yang dapat melawati varistor ZnO seperti pada gambar 11. Daerah tegangan kerja yang menggambarkan karakteristik volt-ampere antara lain daerah arus bocor, daerah kerja tegangan normal dan daerah kerja tegangan lebih.

a. Daerah Arus Bocor (Leakage Region)

Pada gambar 11 operasi daerah arus bocor menunjukan kurva V-I mendekati garis linier dan arus yang mengalir pada varistor tergantung temperatur. Nilai resitansi varistor tinggi mendekati 109 ohm dan kelihatan sebagai rangkaian terbuka. Resistansi varistor akan naik jika arus yang mengalir bertambah, sehingga tegangan pada varistor akan naik juga.

Berdasarkan rekomendasi IEC-352 (International Electronical Comision) bahwa daerah arus bocor tersebut kira-kira antara 10 µA sampai dengan 300 µA.

b. Daerah Kerja Tegangan Normal ( Normal Varistor Operation)

(23)

Gambar 11. Karakteristik volt-ampere varistor17

Pada daerah breakdown ini, resistansi varistor akan menurun dalam bentuk linier pada skala logaritmik bersamaan dengan bertambahnya arus, sedangkan tegangan varistor akan cenderung stabil. Pada gambar 11 daerah kerja tegangan normal terbentuk landaian (slope) yang besarnya sama dengan β (koefisien nonlinier).

Hubungan antara tegangan normal dan arus varistor pada daerah kerja tegangan normal dengan persamaan berikut:

V = K Iβ Volt ... (7)

Dimana: K = Konstanta Varistor I = Arus yang mengalir (mA) β = Koefisien nonlinier varistor

17

(24)

Nilai konstanta nonlinier (β) varitor yang diproduksi oleh pabrik berbeda beda.

Untuk menentukan koefisien nonlinier (β) varistor dengan cara menetapkan

tangen arah kurva karakteristik V-I pada arus sebesar 1 mA.

Nilai β tersebut sepenuhnya tergantung atas perlakuan-perlakuan dalam poses

pembuatannya dan nilai-nilai tipikal yang dikeluarkan berbagai pabarik sebagai berikut :

- Temperatur sintering T = 1100 - 1400 0C - Waktu penahanan sintering t = 1 - 4 jam

- Tekanan pada saat pencetakan P = 100 - 400 kg/cm2

c. Daerah Kerja Tegangan Lebih (Up turn Region)

Daerah kerja tegangan lebih atau disebut juga sebagai daerah up turn, dimana perubahan arus varistor tidak linier lagi melainkan berbentuk parabolik. Dalam hal ini perubahan resistansi varistor tidak saja disebabkan oleh besarnya arus, tetapi juga oleh kenaikan temperatur varistor yang sebabkan oleh efek joule.

Karakteristik varistor pada up turn, dinyatakan dengan persamaan berikut :

V = K Iβ + I R ...(8)

dimana : R = resistansi yang ditentukan oleh butiran ZnO dan berkisar antara 10 ohm – 1 ohm.

I = Arus varistor dengan range antara 100A – 100 kA.

(25)

III. METODE PENELITIAN

A. Tempat dan Waktu

Penelitian dilakukan dibeberapa tempat berbeda berdasarkan proses kegiatan yang dilakukan, pembuatan sampel mentah dilaksanakan di Laboratorium Mikrobiologi FMIPA Universitas Lampung. Penyinteran pelet varistor dilaksanakan di Laboratorium Biomassa FMIPA Universitas Lampung. Pencetakan sampel mentah dan pengujian karakteristik sifat listrik V-t dan V-I dilaksanakan di Laboratorium Tegangan Tinggi Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung. Penelitian ini dilaksanakan selama 8 bulan, dimulai dari bulan Februari 2010 hingga September 2010.

B. Alat dan Bahan 1. Alat

(26)

untuk pengujian karakteristik V-t yaitu satu set peralatan pembangkit tegangan impuls kapasitif, multimeter, stopwatch, osiloskop digital, dan satu set komputer. Peralatan yang digunakan dalam pengujian karakteristik V-I yaitu transformator regulator 220 V, 1 KVA, 50 Hz, transformator uji 220/1000 volt, 50 Hz, ampermeter, voltmeter, dan elektroda uji.

2. Bahan

Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah ZnO murni dan dopan yang digunakan Al2O3. Media pencampur yang digunakan adalah aseton, alas

pembakaran material menggunakan serbuk alumina.

C. Metode

Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Pada tahap pertama yaitu proses pembuatan pelet varistor yang terdiri dari proses preparasi, pencetakan, dan penyinteran. Tahap selanjutnya adalah pengujian karakteristik listrik yang terdiri dari V-t dan V-I. Setelah melakukan pengujian kemudian pengambilan data berupa kurva lengkung volt-waktu untuk karakteristik listrik V-t dan kurva kenonlinieran volt-ampere untuk karakteristik listik V-I. Tahap terakhir yang dilakukan adalah mengolah data yang didapat kemudian menganalisanya, dan menarik kesimpulan.

D. Pelaksanaan

1. Pembuatan Pelet Varistor

(27)

a. Menimbang serbuk ZnO dan Al2O3 menggunakan timbangan digital dengan

berbagai perbandingan mol sesuai dengan tabel 1.

Tabel 1. Komposisi campuran ZnO dan Al2O3 berdasarkan perbandingan mol.

No Sampel ZnO (mol%) Al2O3 (mol%)

d. Mengaduk beberapa saat campuran tersebut dan kemudian meletakkannya di atas hot plate/stirring.

e. Memasukan magnetic stirrer kedalam gelas yang berisi campuran terebut. f. Menghidupkan hot plate/stirring pada skala 6 dan memastikan campuran

tersebut teraduk.

g. Menutup gelas tersebut menggunakan alumunium foil pada proses stirring agar tidak kemasukan zat-zat lain.

(28)

i. Mengambil magnetic stirrer dari gelas berisi campuran berisi campuran menggunakan pinset dan mencucinya sampai bersih.

j. Membiarkan beberapa saat campuran untuk mengeringkan aseton dari campuran.

k. Untuk mengeringkan campuran tersebut, campuran tersebut dipanaskan dalam

furnace pada suhu 600C selama 24 jam.

l. Memasukan gelas tersebut kedalam oven dan mencatat posisi gelas, kemudian program mesin oven.

m. Jika serbuk campuran belum kering maka kembali dipanaskan selama 24 jam dengan menaikkan suhu pemanasan menjadi 800C.

n. Mengambil campuran tersebut dari mesin oven setelah berada pada suhu kamar (270C) dan memastikan bahwa campuran tersebut benar-benar kering. o. Memasukkan campuran tersebut dalam mortar, kemudian gerus ± 1 jam, dan

memastikan campuran tersebut benar-benar halus.

p. Menimbang campuran tersebut menggunakan timbangan digital sebanyak 1,5 gram dan meletakkannya pada alumunium foil.

q. Memasukan campuran tersebut kedalam die, dan memastikan die dalam keadaan bersih.

r. Meletakkan die yang berisi campuran pada alat press hidrolik.

(29)

t. Memutar tuas pengurang tekanan pada alat press hidrolik setelah mencapai tekanan 200 kg/cm2.

u. Mengambil bagian bawah dari die dan meletakkan die dengan posisi terbalik untuk mengeluarkan pelet varistor.

v. Mengeluarkan die dari alat press hidrolik dan mengambil pelet varistor yang telah di cetak.

w. Mengukur massa, diameter, ketebalan pelet varistor dan mencatat hasilnya. x. Memasukkan pelet varistor kedalam tempat sampel.

y. Memberihkan bagian-bagian die menggunakan tissue setelah melakukan pengepresan.

z. Melakukan lubrikanisasi (pelumasan) die setiap dua kali pengepresan pelet varistor.

2. Perlakuan Penyinteran

Proses pembuatan varistor ZnO murni dan Varistor ZnO-Al2O3termasuk pressing

campuran serbuk ZnO dan zat aditif yang diinginkan ke dalam sebuah die untuk membentuk fisik yang mendukung, kemudian hasilnya disinter dalam sebuah

furnace selama waktu tertentu lalu didinginkan. Pada penelitin ini dapat

(30)

adalah 50 C/menit dengan prosedur pengoperasian furnace untuk percobaan perlakuan penyinteran adalah sebagai berikut :

1. Menaikkan kontaktor pada panel listik.

2. Menghidupkan saklar pada mesin furnace sehingga display digital menyala dan menampilkan proses program.

3. Membuka pintu furnace untuk memasukkan sampel mentah varistor dengan memutar kedua handle kunci berlawanan arah jarum jam

4. Memasukkan sampel varistor mentah dengan susunan yang teratur ke dalam

furnace.

5. Menutup pintu furnace dengan memutar handle kunci searah jarum jam. 6. Menekan tombol program untuk mengatur proses pembakaran, mula-mula

dengan menaikkan suhu didalam furnace dari 30 0C menjadi 250 0C dengan kenaikkan suhu 5 0C/menit. Setelah sampai pada suhu 250 0C, dilakukan penahan selama 30 menit, lalu kembali menaikkan suhu sampai 600 0C juga dengan kenaikkan suhu 5 0C/menit. Pada suhu 600 0C juga dilakukan penahanan selama 60 menit, kemudian suhu kembali dinaikkan dari suhu 600

0_{C menjadi suhu 1300}0_{C juga dengan kenaikkan suhu 5}0_{C/menit. Setelah}

mencapai suhu 1300 0C, dilakukan penahanan selama 2 jam.

(31)

8. Mengeluarkan sampel varistor yang telah dibakar, lalu menempatkannya kedalam wadah plastik sesuai dengan jenis sampel.

Gamabar 12. Grafik proses kenaikkan suhu penyinteran varistor

3. Pengujian dan Karakterisasi Tegangan-Waktu (V-t) Varistor

Sebelum melakukan pengujian volt-waktu varistor, maka terlebih dahulu harus mengetahui nilai pembagi tegangan yang digunakan karena nilai tegangan yang terukur pada osiloskop adalah tegangan puncak-puncak (Vpp). Nilai pembagi tegangan yang digunakan untuk menghitung nilai tegangan sebenarnya.

1300 0C

30 0C 250 0C 600 0C

44 74 144 204 344 464 0

waktu (menit)

120 menit

60 menit

30 menit

5 0C/menit

5 0_C/menit

0

(32)

RH

RL OSILOSKOP

Gambar 13. Rangkaian pembagi tegangan resistif

... (8)

dimana :

U1 = nilai tegangan puncak-puncak (Vpp) hasil pengukuran U2 = nilai tegangan sebenarnya

R1 = resistor high(200 kΩ)

R2 = resistor low(1 kΩ)

(33)

Gambar 14. Rangkaian pengukuran tegangan impuls kapasitif

Keterangan Gambar :

Reg = regulator tegangan (0-220 V)

1 kV = transformator (220: 1000)

Dioda = dioda tegangan tinggi (1A, 20kV) Rair = tahanan air 1 (2 MΩ)

S1 dan S2 = saklar 1 dan saklar 2

C1 dan C2 = kapasitor 1 dan kapasitor 2 (1,14µF)

L = Induktor

Rd = resistor peluahan (150 Ω)

Rh = resistor high(200 kΩ)

RL = resistor low ( 1 kΩ)

(34)

Hal itu dilakukan agar dapat mengatur waktu muka dari gelombang tegangan impuls yang dihasilkan.

Prosedur pengukuran tegangan impuls adalah sebagai berikut: 1. Menyusun rangkaian percobaan seperti gambar 14.

2. Melakukan setting osiloskop pada kondisi single mode untuk dapat menangkap input tunggal dan seketika.

a. Time base = 50 µs

b. Volt/div = 2 Volt

c. Storage = single ~ reset

3. Menghidupkan voltage regulator dengan menggunakan sumber tegangan jala-jala PLN dan mengatur serta mengukur tegangan outputnya.

4. Menutup saklar S1 ( saklar S2 terbuka ) selama 30 detik.

5. Setelah 20 detik saklar S1 dalam kondisi tertutup dan S2 terbuka (charging

kapasitor) kemudian membuka saklar S1 dan segera menutup saklar S2

(discharging kapasitor).

6. Mengukur waktu muka dan tegangan impuls yang muncul pada RL

(35)

7. Mengulangi proses pengukuran tegangan impuls untuk waktu muka (Tf) yang berbeda dengan cara mengganti induktor rangkaian dengan dengan induktor yang lain yang nilainya berbeda.

Tabel 2. Pengisian hasil pengukuran tegangan impuls

Tegangan Regulator (Volt)

Induktansi Induktor (mH)

Waktu Muka (µs) Tegangan Puncak

Impuls (Volt)

60 0,06 1,05

60 0,3 6,30

60 1,8 7,33

60 7,02 9,24

60 13,50 11,76

60 16,51 14,51

Sedangkan Prosedur yang dilakukan untuk pengujian pengukuran tegangan tembus varistor adalah sebagai berikut :

1. Memasang rangkaian seperti gambar 15.

(36)

2. Melakukan setting osiloskop pada kondisi single mode untuk dapat menangkap input tunggal dan seketika.

a. Time base = 50 µs

b. Volt/div = 2 Volt

c. Storage = single ~ reset

3. Menghidupkan voltage regulator dengan menggunakan sumber tegangan jala-jala PLN dan mengatur serta mengukur tegangan outputnya.

4. Menutup saklar S1 ( saklar S2 terbuka ) selama 20 detik.

5. Setelah 30 detik saklar S1 dalam kondisi tertutup dan S2 terbuka (charging

kapasitor) kemudian membuka saklar S1 dan segera menutup saklar S2

(discharging kapasitor).

6. Mengukur waktu muka dan tegangan impuls yang muncul pada RL

menggunakan osiloskop kemudian mengalikan hasilnya dengan faktor pengali pada pembagi tegangan resistif, menyimpan grafik hasil pengukuran ke dalam komputer, kemudian menghitung waktu muka gelombang dan mencatat hasilnya.

(37)

Tabel 3. Pengisian hasil pengukuran tegangan tembus varistor

Induktansi Induktor (mH

Waktu Muka (µs)

Tegangan Puncak Impuls (Volt)

Tegangan Tembus Varistor (Volt)

60 1,05

60 6,30

60 7,33

60 9,24

60 11,76

60 14,51

4. Pengujian dan Karakterisasi Tegangan-Ampere (V-I) Varistor Prosedur pengujian karakteristik volt-ampere (V-I) sebagai berikut : 1. Memasang rangkaian seperti gambar 16.

Gambar 16. Rangkaian arus pengujian V-I varistor

(38)

3. Mengukur arus dengan multimeter yang telah ditentukan secara bertahap dengan cara menaikkan tegangan transformator regulator dan mengukur tegangan yang dihasilkan

4. Mengulangi proses pengukuran dengan spesimen uji berbeda.

Tabel 4. Pengisian hasil pengukuran tegangan

(39)

F. Diagram Alir Penelitian

Gambar 17. Diagram alir penelitian Pencetakan

Tidak

Ya

Pencampuran bahan ZnO yang didopan Al2O3 dengan komposisi

0.05%, 0.2%, 0.5%, 0.7% dan 1% mol

Pengeringan

Penggerusan

Apakah sampel siap dibakar

Penyinteran

Varistor

Pengujian karaktristik V-t Pengujian karaktristik V-I

Mulai

(40)

PENGARUH PENAMBAHAN Al2

O

3 TERHADAP KARAKTERISTIK SIFAT

LISTRIK V-t dan V-I KERAMIK ELEKTRONIK ZnO DENGAN SUHU PENYINTERAN 13000C

Oleh

WARI WAGITO Skripsi

Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA TEKNIK

Pada

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Lampung

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG

(41)

iii E. Karakteristik Volt-Waktu dan Volt-Ampere Varistor... 15

(42)

iv IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 39

(43)

v DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1. Komposisi campuran ZnO dan Al2O3 berdasarkan perbandingan mol ... 26

2. Pengisian hasil pengukuran tegangan impuls ... 34 3. Pengisian hasil pengukuran tegangan tembus varistor ... 36 4. Pengisian hasil pengukuran tegangan ... 37 5. Hasil perhitunagan koefisien nonlinier varistor ZnO-Al2O3 ... 44

6. Hasil pengukuran tegangan impuls dan waktu muka ... 47 7. Hasil pengukuran tegangan tembus varistor ZnO-Al2O3 ... 53

8. Nilai gradien kurva lengkung karakteristik V-t ... 57 9. Hasil pengujian karakteristik V-I varistor ZnO murni ... 72 10. Hasil perhitungan karakteristik V-I varistor ZnO murni ... 75 11. Hasil pengujian karakteristik V-I varistor ZnO-Al2O3 ... 76

(44)

vi DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1. Struktur kristal ZnO ... 7 2. Al2O3 dalam bentuk kristal corundum ... 9

3. Rangkaian ekivalen dan karakteristik varistor ... 10 4. Mekanisme pengepresan kering pada serbuk dan penyinterannya ... 11 5. (a) Posisi alat press hidrolik dan die pada proses pengepresan,

dan bagian-bagian die, (b) bagaian atas, (c) bagian tengah, dan,

(d) bagian bawah ... 13 6. (a) Sebelum disintering, permukaan tidak menyatu.

(b) Setelah disintering butiran-butiran hanya ada satu permukaan saja ... 14 7. Sistem pengukuran tegangan impuls dengan pembagi resistif

(a) diagram rangkaian, (b) rangkaian ekivalen dengan kapasitansi bumi ... 16

8. Contoh tegangan impuls (a) tegangan impuls persegi, (b) tegangan

(45)

vii (b) Setelah dibakar ... 41 19. Kurva karakteristik V-I varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 ... 43

20. Grafik hubungan % komposisi penambahan dengan koefisien

nonlinier(β) varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3... 45

21. Respon varistor ZnO dan ZnO-Al2O3 terhadap tegangan impuls

waktu muka 1,05 µs ... 50 22. Respon varistor ZnO dan ZnO-Al2O3 terhadap tegangan impuls

waktu muka 14,51 µs ... 52 27. Respon varistor ZnO-Al2O3 dengan waktu muka 6,30 µs ... 54

28. Karakteristik lengkung V-t pengujian impuls, varistor ZnO dan

varistor ZnO-Al2O3 ... 56

(46)

viii 39. Timbangan digital ... 64 40. Hot plat / stirring ... 64 41. Oven ... 64 42. Alat press hidrolik ... 65 43. Die ... 65 44. Regulator tegangan ... 65 45. Osiloskop digital ... 65 46. Multimeter digital. ... 65 47. Resistor air ... 65 48. Induktor inti udara ... 66 49. Inti ferrit ... 66 50. Dioda tegangan tinggi ... 66 51. Function generator ... 66 52. Kapasitor tegangan tinggi ... 66 53. Elektroda uji ... 66 54. Transformator step up ... 67 55. Satu set peralatan tegangan impuls kapasitif ... 67 56. Cara menentukan waktu muka dan waktu ekor kurva volt-waktu ... 78 57. Respon varistor ZnO-Al2O3 dengan waktu muka 1,05 µs ... 85

58. Respon varistor ZnO-Al2O3 dengan waktu muka 6,30 µs ... 85

(47)

ix 63. Respon Varistor ZnO-Al2O3 0,05 menggunakan induktor 0,06 mH ... 88

64. Respon Varistor ZnO-Al2O3 0,2 menggunakan induktor 0,06 mH ... 88

(48)

x 87. Respon Varistor ZnO-Al2O3 1,0 menggunakan induktor 13,5 mH ... 100

(49)

iii E. Karakteristik Volt-Waktu dan Volt-Ampere Varistor... 15

(50)

iv IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 39

(51)

v DAFTAR TABEL

Tabel Halaman

1. Komposisi campuran ZnO dan Al2O3 berdasarkan perbandingan mol ... 26

2. Pengisian hasil pengukuran tegangan impuls ... 34 3. Pengisian hasil pengukuran tegangan tembus varistor ... 36 4. Pengisian hasil pengukuran tegangan ... 37 5. Hasil perhitunagan koefisien nonlinier varistor ZnO-Al2O3 ... 44

6. Hasil pengukuran tegangan impuls dan waktu muka ... 47 7. Hasil pengukuran tegangan tembus varistor ZnO-Al2O3 ... 53

8. Nilai gradien kurva lengkung karakteristik V-t ... 57 9. Hasil pengujian karakteristik V-I varistor ZnO murni ... 72 10. Hasil perhitungan karakteristik V-I varistor ZnO murni ... 75 11. Hasil pengujian karakteristik V-I varistor ZnO-Al2O3 ... 76

(52)

vi DAFTAR GAMBAR

Gambar Halaman

1. Struktur kristal ZnO ... 7 2. Al2O3 dalam bentuk kristal corundum ... 9

3. Rangkaian ekivalen dan karakteristik varistor ... 10 4. Mekanisme pengepresan kering pada serbuk dan penyinterannya ... 11 5. (a) Posisi alat press hidrolik dan die pada proses pengepresan,

dan bagian-bagian die, (b) bagaian atas, (c) bagian tengah, dan,

(d) bagian bawah ... 13 6. (a) Sebelum disintering, permukaan tidak menyatu.

(b) Setelah disintering butiran-butiran hanya ada satu permukaan saja ... 14 7. Sistem pengukuran tegangan impuls dengan pembagi resistif

(a) diagram rangkaian, (b) rangkaian ekivalen dengan kapasitansi bumi ... 16

8. Contoh tegangan impuls (a) tegangan impuls persegi, (b) tegangan

(53)

vii (b) Setelah dibakar ... 41 19. Kurva karakteristik V-I varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 ... 43

20. Grafik hubungan % komposisi penambahan dengan koefisien

nonlinier(β) varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3... 45

21. Respon varistor ZnO dan ZnO-Al2O3 terhadap tegangan impuls

waktu muka 14,51 µs ... 52 27. Respon varistor ZnO-Al2O3 dengan waktu muka 6,30 µs ... 54

28. Karakteristik lengkung V-t pengujian impuls, varistor ZnO dan

varistor ZnO-Al2O3 ... 56

(54)

viii 39. Timbangan digital ... 64 40. Hot plat / stirring ... 64 41. Oven ... 64 42. Alat press hidrolik ... 65 43. Die ... 65 44. Regulator tegangan ... 65 45. Osiloskop digital ... 65 46. Multimeter digital. ... 65 47. Resistor air ... 65 48. Induktor inti udara ... 66 49. Inti ferrit ... 66 50. Dioda tegangan tinggi ... 66 51. Function generator ... 66 52. Kapasitor tegangan tinggi ... 66 53. Elektroda uji ... 66 54. Transformator step up ... 67 55. Satu set peralatan tegangan impuls kapasitif ... 67 56. Cara menentukan waktu muka dan waktu ekor kurva volt-waktu ... 78 57. Respon varistor ZnO-Al2O3 dengan waktu muka 1,05 µs ... 85

(55)

ix 63. Respon Varistor ZnO-Al2O3 0,05 menggunakan induktor 0,06 mH ... 88

(56)

x 87. Respon Varistor ZnO-Al2O3 1,0 menggunakan induktor 13,5 mH ... 100

(57)

DAFTAR PUSTAKA

Anonim a. Aluminium Oksida. diakses 6 November 2009 http://id.wikipedia.org/wiki/Aluminium_oksida Anonim b. Zinc Oxide. diakses 6 November 2009

http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc_Oxide

Abduh, Syamsir. 2001. Dasar Pembangkitan dan Pengukuran : Teknik Tegangan

Tinggi. Jakarta : Salemba Teknika.

Abdullah, Huda. Saadah, Nur Habibi. Ariyanto, Nugroho. Salleh, Muhamad Mat. 2009. Kesan Pengedopanan Rendah ke Atas Bahan Nanostruktur ZnO: Al

sebagai Lapisan Anti Pantulan. Sains Malaysiana 38 : 679-683

Arismunandar, Artono. 1984. Teknik Tegangan Tinggi. Jakarta : Pratnya Paramita Ashby, Michael, Shercliff, Hugh and Cebon, David. 2007. MaterialsEngineering,

Science, Processing and Design. Butterworth-Heinemann is an imprint of

Elsevier Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803

Bashi, Z. B, Aslan M. H, Ozer, M, Oral,A. Y. Sintering Behavior of ZnO:Al

Ceramics Fabricated by Sol-Gel Devired Nanocrystalline Powders.

Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim : Cryst,Res.Technol. 44, No. 9, 961-966.

Greenwood, Allan. 1991. Electrical Transient in Power Systems 2nd edition. United states of America.

Herlan, Dedeng. 1995. Pengaruh Tekanan Kompaksi dan Temperatur Sintering terhadap Karakteristik Volt-Ampere Pada Pembuatan Varistor Dengan

Material Utama Zinc Oxide. (Thesis). Universitas Indonesia : Jakarta

Kind, Dieter. 1993. Pengantar Teknik Eksperimental Tegangan Tinggi. Bandung : ITB.

(58)

Kuffel, E. Zaengl, W.S. and J. Kuffel, J. 2000. High Voltage Engineering

Fundamentals. Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP 225

Wildwood Avenue, Woburn, MA 01801-2041: Butterworth-Heinemann. Patil, D. R, Patil L. A. 2007. Ethanol Gas Sensing Properties of Al2O3-Doped

ZnO thick Film Resistors. Indian Academy of Sciences : Bull. Mater. Sci,

Vol. 30, No. 6, pp. 553-559.

Sayukti, A. 2008. Analisis Karakteristik Elektrik Varistor ZnO Menggunakan

Pembangkit Tegangan Impuls Kapasitif. (Skripsi). Universitas Lampung :

Bandar Lampung

Tobing, L. Bonggas. 2003 a. Peralatan Tegangan Tinggi. PT. Gramedia Pustaka Utama: Jakarta.

(59)

MENGESAHKAN

1. Tim Penguji

Ketua : Henry B.H. Sitorus, S.T., M.T.

Sekretaris : Dr. Eng. Helmy Fitriawan, S.T., M.Sc.

Penguji

Bukan Penguji : Diah Permata, S.T., M.T.

2. Dekan Fakultas Teknik

Dr. Ir. Lusmeilia Afriani, D.E.A. NIP. 19650510 199303 2 008

(60)

Judul Skripsi : PENGARUH PENAMBAHAN Al2O3

TERHADAP KARAKTERISTIK SIFAT LISTRIK V-t DAN V-I KERAMIK ELEKTRONIK ZnO DENGAN SUHU PENYINTERAN 13000C

Nama Mahasiswa : Wari Wagito Nomor Pokok Mahasiswa : 0515031078 Program Studi : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik

MENYETUJUI 1. Komisi Pembimbing

Henry B.H. Sitorus, S.T., M.T. Dr. Eng. Helmy Fitriawan, S.T., M.Sc. NIP. 19721219 199903 1 002 NIP. 19750928 2001121 1 002

2. Ketua Jurusan Teknik Elektro

Ir. Abdul Haris, M.T.

(61)

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Preparasi, Pencetakan dan Penyinteran Varistor

1. Hasil Preparasi

Pada proses preparasi sampel yang didopan dengan zat tertentu terlebih dahulu melakukan penimbangan bahan berdasarkan komposisi yang telah ditentukan, setelah itu melakukan pencampuran antara ZnO dan Al2O3 dalam media aseton,

(62)

2. Hasil Pencetakan

Sebelum melakukan pencetakan Varistor ZnO murni dan Varistor ZnO-Al2O3

dilakukan penimbangan didalam batch, menggunakan neraca digital dengan komposisi setiap sample varistor seberat ± 1 gram sehingga nanti didapat ketebalan ± 2 mm. Metode yang digunakan dalam pencetakan pada penelitian ini adalah metode pengepresan kering (dry preesing). Pengepresan kering merupakan pengepakan uniaksial secara simultan dan pembentukan butiran serbuk dalam sebuah cetakan (die). Die yang digunakan dalam penelitian ini berdiameter ± 14 mm. Pencetakan dilakukan melalui proses pengepresan menggunakan alat press hidrolik yang mempunyai range tekanan antara 0 – 300 kg/cm2. Proses ini dilakukan agar serbuk ZnO lebih padat sehingga mempermudah proses selanjutnya yaitu proses penyinteran. Pengepresan yang sampel yang dicetak dilakukan pada tekanan 200 kg/cm2. Hal ini karena dengan besar tekanan tersebut sudah cukup baik untuk pembuatan varistor dan jika terlalu besar dikhawatirkan akan merusak alat cetak (die) yang digunakan. Hasil pencetakan dapat dilihat pada gambar 18a.

3. Hasil Penyinteran

Varistor yang telah dicetak disintering menggunakan alat automatic programable

funace Lenton 3508 yang memiliki suhu penyinteran maksimum 1400 oC, dimana

proses kenaikan suhu dan waktu diset melalui panel kontrol furnace.

(63)

tidak terjadi keretakan maupun menghindari varistor pecah pada saat terjadi lonjakan suhu yang terlalu dratis. Setelah melalui proses diatas, varistor didinginkan sampai suhu ruang selama ±24 jam.

Sebelum dibakar Sesudah dibakar

(a) (b)

Gambar 18. Hasil pencetakan dan penyinteran, a) Sebelum dibakar dan b) Setelah dibakar

O Murni

Al 0.05

ZnO Murni

ZnO-Al2O3 0,05%

ZnO-Al2O3 0,20%

ZnO-Al2O3 0,50%

ZnO-Al2O3 0,70%

(64)

Sampel hasil penyinteran dapat dilihat pada gambar 18b. Pada gambar 18 tersebut terlihat bahwa sampel sebelum disintering nampak berwarna putih. Hal ini karena untuk bahan ZnO murni dan bahan Al2O3 serbuknya berwarna dasar putih. Setelah

disintering pada suhu 1300 oC varistor ZnO murni menjadi berwarna kuning sedangkan varistor ZnO-Al2O3 menjadi berwarna abu-abu. Perubahan warna

terjadi karena ZnO dan Al2O3 memiliki sifat thermochromic yang berarti warna

zat akan berubah jika dipanaskan pada suhu tertentu. Varistor yang telah disintering diukur dimensinya menggunakan jangka sorong dan ditimbang menggunakan timbangan digital, didapat ketebalan varistor tersebut ± 1,7 mm, diameter varistor ± 12 mm dan massa varistor ± 1 gram.

B. Hasil Pengujian Varistor dan Analisisnya

1. Hasil Karakteristik Sifat Listrik Tegangan Arus (V-I) Varistor

Pengujian karakteristik V-I varistor menggunakan rangkaian arus bolak-balik. Pada pengukuran V-I varistor ZnO dilakukan secara bertahap yaitu nilai arus mulai dari 50 µA sampai dengan 26 mA dengan cara menaikkan tegangan transformator regulator, sedangkan pada pengukuran V-I varistor ZnO-Al2O3

dilakukan secara bertahap juga nilai arus dimulai dari 10 mA sampai dengan 400 mA sehingga didapat nilai tegangan. Pada pengukuran V-I varistor ZnO murni dan ZnO-Al2O3 dengan menggunakan range arus tersebut karena pada range

(65)

Berdasarkan rekomendasi IEC (International Electronical Comision) bahwa daerah arus bocor tersebut bekerja kira-kira antara 10 µA sampai dengan 300 µA. Sedangkan untuk daerah kerja tegangan normal pada nilai arus 1 mA. Jika dilakukan pengukuran melebihi range arus tersebut maka nilai tegangan kembali turun ke nol.

Gambar 19. Kurva karakteristik V-I varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3

Dari gambar 19 menunjukkan kurva karakteristik V-I varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 . Karakteristik V-I varistor ZnO murni (ditampilkan dengan

warna biru) nilai range tegangan yang didapat lebih besar dari pada nilai tegangan karakteristik V-I ZnO-Al2O3 1% (ditampilkan dengan warna kuning), ZnO-Al2O3

0,7% (ditampilkan dengan warna biru muda), ZnO-Al2O3 0,5% (ditampilkan

dengan warna abu-abu) ZnO-Al2O3 0,2% (ditampilkan pada warna hijau) dan

ZnO-Al2O3 0,05% (ditampilkan dengan warna merah). Kurva kenonlinieran dari

(66)

saat dialiri arus dengan range 8 mA sampai dengan 26 mA sifat kenonlinieran varistor ZnO murni bekerja, ini terlihat dengan nilai resistor dari varistor yang semakin kecil dan nilai tegangan mendekati konstan. Pada kurva varistor ZnO-Al2O3 menunjukkan bahwa saat dialiri arus dengan range 10 mA sampai dengan

120 mA, varistor masih bersifat isolator terlihat dengan nilai resistor yang besar dan masih bersifat linier. Pada range 140 mA sampai dengan 400 mA varistor ZnO-Al2O3 sifat kenonlinierannya bekerja, ini terlihat dengan nilai resistor

semakin kecil dan nilai tegangan semakin konstan. Hal ini dapat simpulkan bahwa semakin banyak persentase dopan Al2O3 yang diberikan pada varistor ZnO maka

energi yang dibutuhkan untuk breakdown pada varistor tersebut semakin besar sehingga dibutuh arus yang besar untuk mencapai nilai kenonlinieran.

Tabel 5. Hasil perhitunagan koefisien nonlinier varistor ZnO-Al2O3

% Komposisi

varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 yang didapat dari perhitungan dengan

menggunakan metode kuadrat terkecil, yang dapat dilihat pada lampiran B.

(67)

yang lebih rendah dari varsitor ZnO-Al2O3 dengan komposisi 0,05%, 0,2%, 0,5%

dan 0,7%, tetapi pada komposisi varistor ZnO-Al2O3 1% nilai koefisiennya lebih

baik dari ZnO murni. Hal ini menunjukakan bahwa dengan penambahan komposisi ZnO-Al2O3 1% telah memperbaiki sifat kenonlinieran dari varistor

ZnO murni dengan nilai β = 0,499.

Gambar 20. Grafik hubungan % komposisi penambahan Al2O3 dengan koefisien

nonlinier(β) varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3

Grafik hubungan koefisien nonlinier dengan persentase komposisi penambahan Al2O3 menunjukkan persamaan garis linier yang semakin kebawah dengan

bertambahnya persentase komposisi penambahan Al2O3 dan nilai koefisien

nonlinier yang semakin kecil. Hal ini dapat disimpulkan bahwa titik optimum belum tercapai pada persentase 0% komposisi penambahan Al2O3 sampai dengan

1% pada varistor ZnO. Penambahan dopan Al2O3 pada varistor ZnO dapat

(68)

2. Hasil Karakteristik Sifat Listrik Tegangan Waktu (V-t) Varistor a. Hasil Perhitungan Pembagi Tegangan Resistif

Untuk mengukur hasil tegangan sebenarnya tidak dilakukan secara langsung, karena arus yang dihasilkan sangat besar, sehingga apabila langsung diukur dapat mengakibatkan kerusakan pada alat ukur (osiloskop). Untuk mengantisipasi hal tersebut diperlukan pembagi tegangan resistif. Dengan demikian, berdasarkan persamaan dapat diketahui besarnya nilai faktor pengali pembagi tegangan resistif, yaitu sebesar :

Nilai tegangan uji impuls dan tegangan tembus varistor dapat dihitung dengan mengalikan nilai hasil pengukuran osiloskop dengan nilai faktor pengali pembagi tegangan resistif. Proses perhitungan untuk mendapatkan nilai tegangan impuls menggunakan pembagi tegangan resistif dapat dilihat pada lampiran B.

b. Hasil Pengujian Pembangkitan Tegangan impuls

Pengujian dalam penelitian ini dilakukan menggunakan pembangkit tegangan impuls kapasitif yang menggunakan input tegangan AC sebesar 60 Volt dari

voltage regulator dengan memasang enam variasi nilai induktor yang berbeda

(69)

berinti udara. Induktor yang digunakan dibuat sendiri dengan melilitkan kawat email pada inti batang ferrit sehingga membentuk sebuah kumparan. Setelah kumparan induktor dibuat, dilakukan pengukuran nilai induktansi dari setiap induktor yang dibuat dengan menggunakan rangkaian resonansi LC. Dimana untuk mengetahui frekuensi resonansi diukur menggunakan function generator, setelah diketahui nilai frekuensi resonansinya maka dilakukan perhitungan nilai induktansinya dengan persamaan berikut :

Ada sedikit perbedaan nilai induktansi induktor yang diukur dengan menggunakan rangkaian resonansi LC dengan nilai induktansi induktor hasil perhitungan. Hal ini dikarenakan kurang akuratnya alat ukur yang digunakan ataupun nilai perhitungan induktor yang tidak bulat.

Pengujian pembangkit tegangan impuls dilakukan dengan mengganti satu induktor dengan induktor lainnya untuk mendapatkan waktu muka yang berbeda. Hasil data grafik yang terukur pada osiloskop kemudian ditransfer kedalam PC sehingga lebih muda untuk melakukan pengolahan data tersebut. Dengan mengolah data tersebut, didapat nilai tegangan puncak impuls hasil pembangkitan dan waktu muka tegangan impuls tersebut, yang dapat dilihat pada tabel 6.

Tabel 6. Hasil pengukuran tegangan impuls dan waktu muka.

(70)

Nilai waktu muka (Tf) didapat dengan menggunakan kurva volt-waktu dapat dilihat pada Lampiran B, sedangkan untuk nilai puncak tegangan impuls yang didapat setelah melakukan pengukuran tegangan pada RL (menggunakan osiloskop) dan mengalikan hasilnya dengan faktor pengali pembagi tegangan resistif (VRL x 201) dapat dilihat pada lampiran B.

Dari tabel juga dapat dilihat pengaruh nilai induktansi induktor terhadap waktu muka gelombang tegangan impuls yang diukur. Semakin besar nilai induktansi induktor yang digunakan pada rangkaian, waktu muka yang diperoleh dari gelombang tegangan impuls yang diukur juga semakin besar. Sehingga bentuk gelombang tegangan impuls yang dihasilkan akan semakin landai. Dan berpengaruh juga pada nilai puncak tegangan impuls yang dihasilkan.

c. Hasil Pengujian Tegangan Tembus Varistor ZnO Murni dan ZnO-Al2O3 Dengan memasang varistor uji pada rangkaian uji tegangan impuls kapasitif, maka didapat gelombang tegangan tembus masing-masing varistor ZnO murni dan varistor ZnO-Al2O3 untuk masing-masing waktu muka uji yang berbeda.

Kemudian didapat grafik respon tegangan impuls, tegangan tembus varistor ZnO murni dan tegangan tembus varistor ZnO-Al2O3 sebagaimana yang dapat dilihat

pada gambar 21, 22, 23, 24, 25 dan 26.