BAB II DASAR TEORI
2.1 Termoelektrik
2.1.1 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 1834. 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.
2.1.2 Efek Seebeck
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 T1 dan T2. Seperti diilustraikan pada gambar 2.1 berikut ini.
Gambar 2.1 Sirkuit termoelektrik yang terbuat dari konduktor A dan B dengan temperature junction T1 dan T2. 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.
V
A A
T2 T1
Z
a b
Potensial U diukur dengan menggunakan voltmeter V dimasukkan ke dalam kabel A yang diberikan sesuai dengan persamaan :
(2.1)
Dengan QA dan QB 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 kB / 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.
2.1.3 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 ∏Adan ∏B menghasilkan kalor dengan
tingkat menurut :
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 Qdan ∏ menurut hubungan
Konduktor A Konduktor B
(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.
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)
Konduktor
Tegangan dV Temperatur dT
panas dingin
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.
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.
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).
Permukaan Dingin
2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik
2.3.1 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)
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 :
Qh = kalor yang dilepaskan pada bagian hot side elemen Peltier (Watt) Qc = kalor yang diserap pada bagian cold side elemen Peltier (Watt) Pm = daya input (Watt)
semikonduktor tipe p dan seterusnya. Seperti yang dilukiskan pada gambar 2.2 di bawah ini :
Gambar 2.8 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik (Sumber : Jurnal Teknologi, Maret 2007)
2.3.2 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 (Th) 2. Temperatur permukaan sisi dingin Peltier / cold side (Tc)
3. Beban kalor yang dapat ditransfer dari kompartemen dingin (Qc) di dalam panas modul, yaitu :
Temperatur ambien lingkungan
Efisiensi Heat Sink yang digunakan pada sisi panas modul.
Bagian pelepasan kalor (heat sink) Bagian yang didinginkan (cold sink)
P N P N
Isolator listrik Kondutktor
Semikondutktor
Gambar 2.9 Temperatur modul termoelektrik (TEC) (Sumber : Seminar tahunan Teknik Mesin, 06 - 07 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 (Tpanas - Tdingin) dari modul
termoelektrik selalu mendekati konstan. Jika Tpanas semakin rendah maka Tdingin semakin dingin bila Tpanas akan semakin tinggi maka Tdingin tidak perlu dingin.
2.3.3 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
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.
Gambar 2.10 Susunan dasar sistem pendingin termoelektrik Peltier (Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat
Pipes, The 10th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok 04-06
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).
Gambar 2.11 Susunan sistem termoelektrik
(Sumber : The Development of Potable Blood Carrier By Using Thermoelectric and Heat Pipes, The 10th International Conference On Quality In Research (QIR), Depok 04-06
Desember 2007)
2.4 Sensor Kelembaban dan Temperatur
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.
hysteresis (RH @25 0C) 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 0C. 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 0C
Tabel 2.1 Pin sensor HSM-20G
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 Vcc.
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.
Gambar 2.13 Bentuk umum relay (Sumber : Malcore Wibsite-edited) Pin Fungsi
1 Outpu Temperatur 2 Ground
3 Output Kelembaban 4 Vcc (-5.0V)
Tabel 2.2 Keuntungan dan kerugian dalam pemakaian relay dibandingkan dengan transistor
Keuntungan
1.Relay dapat digunakan sebagai switch AC dan DC (transistor hanya bisa digunaka pada switchi DC)
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
Kerugian
1. Relay ukurannya jauh lebih besar dibanding transistor 2. Relay tidak dapat switch dengan cepat dibanding transistor 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.
