BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Sejarah Termoelektrik
Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Diantara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas.Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Pada tahun 1834 Jean Charles Peltier, seorang berkebangsaaan Perancis, penemuan Seebeck ini memberikannya inspirasi untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.
Emil Lenz pada tahun 1838 membuktikan bahwa efek Peltier bergantung dengan arah arus maka panas dapat dibuang dari junction untuk membekukan es, atau dengan membalikan arah arus maka panas dapat ditambahkan untuk melelehkan es menjadi air, sehingga ini dapat disimpulkan bahwa panas dapat diserap atau diciptakan searah dengan arus listrik yang dialirkan.
Dua puluh tahun kemudian, sekitar tahun 1851 William Thomson (Lord Kelvin), memberikan penjelasan secara komprehensif mengenai keterkaitan efek Seeback dan efek Peltier dengan termodinamika. Koefisien Peltier merupakan perkalian dari koefisien seeback. Thomson akhirnya mengeluarkan efek ketiga yang dikenal dengan efek Thomson. Panas dapat diserap atau diciptakan mengalir di dalam material. Panas sebanding dengan arah arus listrik yang dialirkan. Konstanta perbandingan ini disebut dengan koefisien Thomson, yang secara termodinamika berkaitan dengan koefisien Seeback. Salah satu aplikasi fenomena termoelektrik adalah sebagai pompa kalor yang
bisa difungsikan sebagai pompa kalor yang dapat digunakan sebagai pemanas atau pendingin suatu produk.
Termo elektrik sebagai pendingin dibuat menjadi sebuah modul semikonduktor yang jika dialiri arus listrik DC maka kedua sisi modul termoelektrik ini akan mengalami panas dan dingin. 9
2.2 Baterai
Baterai atau akumulator adalah sebuah sel listrik dimana di dalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel dengan efisiensi yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah didalam baterai dapat berlangsung proses
pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah ( polaritas ) yang berlawanan didalam sel.
Jenis sel baterai ini disebut juga Storage Battery, adalah suatu baterai yang dapat digunakan berulang kali pada keadaan sumber listrik arus bolak balik (AC) terganggu. Tiap sel baterai ini terdiri dari dua macam elektroda yang berlainan, yaitu elektroda positif dan elektroda negatif yang dicelupkan dalam suatu larutan kimia.2
2.2.1 Prinsip Kerja Baterai
a. Proses discharge pada sel berlangsung menurut skema Gambar 2.1. Bila sel dihubungkan dengan beban maka, elektron mengalir dari anoda melalui beban ke katoda, kemudian ion-ion negatif mengalir ke anoda dan ion-ion positif mengalir ke katoda.
b. Pada proses pengisian menurut skema Gambar 2.2. dibawah ini adalah bila sel dihubungkan dengan power supply maka elektroda positif menjadi anoda dan elektroda negatif menjadi katoda dan proses kimia yang terjadi adalah sebagai berikut:
1. Aliran elektron berubah arah, mengalir dari anoda melalui power suplai ke katoda.
2. Ion-ion negatif rnengalir dari katoda ke anoda 3. Ion-ion positif mengalir dari anoda ke katoda
Jadi reaksi kimia pada saat pengisian (charging) adalah kebalikan dari saat pengosongan (discharging)
Gambar 2.1. Proses Pengosongan Gambar 2.2. Proses Pengisian
( Discharge ) ( Charge )
2.2.2 Jenis-jenis Baterai
Berikut adalah penjelasan mengenai jenis baterai berdasarkan bahan pembentuknya.
Salah satunya addalah bahan elektrolit yang banyak dipergunakan pada baterai elektrolit adalah jenis asam (lead acid) dan basa (alkali). Untuk itu dibawah ini akan dibahas kedua jenis bahan elektrolit tersebut.
i. Baterai Asam ( Lead Acid Storage Battery )
Baterai asam bahan elektrolitnya adalah larutan asam belerang (Sulfuric Acid = HzS04). Didalam batere asam, elektroda-elektrodanya terdiri dari plat-plat timah peroksida
Pb02 (Lead Peroxide) sebagai anoda (kutub positif) clan timah murni Pb (Lead Sponge)
sebagai katoda (kutub negatif).
Kelebihan lead-acid baterai
a. Tingkat bahayanya lebih sedikit dibandingkan dengan jenis lainnya, karena reksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.
b. Dapat diandalkan dan harganya juga relatif murah. Kelemahan lead-acid baterai
a. Energinya sekitar 40Wh/kgf, lebih rendah dari yang lainnya.
b. Umurnya kurang tahan lama dan memerlukan waktu pengirisan kembali yang lebih lama.
ii. Baterai Alkali ( Alkaline Storage Battery )
Baterai alkali bahan elektrolitnya adalah larutan alkali (Potassium Hydroxide) yang terdiri dari :
Nickel-Iron Alkaline Battery ( Ni-Fe battery )
Nickel-Cadmium Alkaline Battery ( Ni-Cd battery )
Pada umumnya yang banyak dipergunakan di instalasi unit pembangkit adalah batere alkali-cadmium ( Ni-Cd ).
Ciri-ciri umum (tergantung pabrik pembuat) sebagai berikut : 1. Tegangan nominal per sel 1,2 Volt
2. Nilai berat jenis elektrolit tidak sebanding dengan kapasitas batere
3. Umur batere tergantung pada operasi dan pemeliharaan, biasanya dapat mencapai 15 - 20 tahun, dengan syarat suhu batere tidak lebih dari 20o C. 4. Tegangan pengisian per sel harus sesuai dengan petunjuk operasi dan
pemeliharaan dari pabrik pembuat. Sebagai contoh adalah :
5. Tegangan pengosongan per sel ( Discharge ) : 1 Volt (reff. Hoppeke & Nife) Keuntungan baterai alkali
a. Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over discharging dan tahan lama.
b. Mempunyai performa discharging yang baik. c. Mempunyai densitas output yang besar. d. Usianya tahan lama (10~20 tahun). e. Waktu pengisian cepat.
Kelemahan baterai alkali
a. Densitas energinya rendah, sekitar 25~35Wh/kgf.
b. Biaya metal yang digunakan untuk electrode sangat mahal. c. Agak sulit untuk diproduksi massal.2
2.2.3 Kapasitas Baterai
Besarnya energi yang diterima dan dikelurakan oleh beterai di sebut sebagai kapasitas baterai.kapsitas baterai adalah jumlah amperejam (Ah = Kuat arus x waktu),artinya baterai dapat memberikan /menyuplai sejumlah isinya rata-rata sebelum tiap sel nya menyeluruh tegangan /voltase turun (Drop voltage) yaitu sebesar 1,75 volt ( ingat setiap baterai memiliki tegangan sebesar 2 V; jika dipakai maka tegangan akan terus turun dan kapsitas efektif sudah terpakai semuanya bila tegangan sel seluruhnnya 1,75 volt ). Misal,baterai 12 V 75 Ah.baterai ini bisa memberikan kuat arus sebesar 75 ampere dalam satu jam artinya memberikan daya rata-rata sebesar 900 watt (Watt = Vx I = Voltase X ampere = 12 V x 75 A).secara hitungan kasar dapat menyupali alat berdaya 900 watt selama satu jam atau alat berdaya 90 watt selama 10 jam,walaupun pada kenyataanya tidak seperti itu.2
2.2.4 Bagian-bagian Utama Baterai
Gambar 2.3 Bagian-bagian Baterai i. Elektroda
Tiap sel baterai terdiri dari 2 (dua) macam elektroda, yaitu elektroda positif ( + ) dan elektroda negatif ( - ) yang direndam dalam suatu larutan kimia.
Elektroda-elektroda positif dan negatif terdiri dari :
Grid, adalah suatu rangka besi atau fiber sebagai tempat material aktif.
Material Aktif, adalah suatu material yang bereaksi secara kimia untuk menghasilkan energi listrik pada waktu pengosongan (discharge)
ii. Elektrolit
Elektrolit adalah Cairan atau larutan senyawa yang dapat menghantarkan arus listrik, karena larutan tersebut dapat menghasilkan muatan listrik positif dan negatif. Bagian yang bermuatan positif disebut ion positif dan bagian yang bermuatan negatif disebut ion negatif. Makin banyak ion-ion yang dihasilkan suatu elektrolit maka makin besar daya hantar listriknya.
Jenis cairan elektrolit batere terdiri dari 2 ( dua ) macam, yaitu: 1. Larutan Asam Belerang ( H2S04 ), digunakan pada baterai asam.
2. Larutan Alkali ( KOH ), digunakan pada baterai alkali.
Gambar 2.4 Bentuk Sederhana Sel Batere iii. Sel Baterai
Sesuai dengan jenis bahan bejana ( container ) yang digunakan terdiri dari 2 (dua) macam : a. Steel Container
Sel baterai dengan bejana ( container ) terbuat dari steel ditempatkan dalam rak kayu, hal ini untuk menghindari terjadi hubung singkat antar sel baterai atau hubung tanah antara sel baterai dengan rak baterai.
b. Plastic container
Sel baterai dengan bejana ( container ) terbuat dari plastik ditempatkan dalam rak besi yang diisolasi, hal ini untuk menghindar terjadi hubung singkat antar sel baterai atau hubung tanah antara sel baterai dengan rak batere apabila terjadi kerusakan atau kebocoran elektrolit baterai.2
2.3 Metode Charging
Banyaknya tipe dan jenis baterai dengan karakteristik yang berbeda-beda membuat metode pengisian pun bermacam-macam. Beberap metode pengisian yang lazim digunakan adalah sebagai berikut:
Metode tegangan konstan
Pada dasarnya metode ini hanya membutuhkan sebuah power supply DC yang terdiri dari sebuah trafo step down dan penyearah untuk menyediakan tegangan DC. Desain sederhana ini sering ditemukan pada charger baterai mobil untuk pengisian baterai lead acid. Metode tegangan konstan ini juga sering dipakai untuk baterai
lithiium ion, walaupun tidak sesedaerhana rangkaian pada charger baterai mobil yang
menggunakan baterai lead acid. Metode arus konstan
Metoda arus konstan bekerja dengan memvariasikan nilai tegangan pada baterai untuk menjaga arus agar bernilai tetap dan berhenti ketika tegangan mencapai beban penuh.
Metode tegangan dan arus konstan
Metode ini digunakan untuk mengisi baterai dengan mengatur arus sebesar 0,4 A dan tegangan sebesar 2,45 V/sel pada temperatur 20-25ºC. Lama pengisian berkisar antara 6-12 jam, tergantung lama waktu saat pengosongan. Metode ini bisaa digunakan untuk baterai lead acid.
Metode tegangan konstan dua tingkat
Metoda ini menggunakan dua sumber tegangan konstan, pada tahap pengisian baterai dengan sumber tegangan konstan pertama dengan diatur hingga pengaturan tegangan tinggi (sesuai kondisi persyaratan baterai). Jika nilai arus sudah mencapai kondisi normal maka akan terjadi perpindahan (switch) dari sumber tegangan konstan pertama menuju sumber tegangan konstan kedua yang sudah diatur pada tegangan rendah.
Metode Trickle Charge
Pada metode ini baterai tidak dihubungkan dengan beban dan tetap mengalami pengisian dengan arus yang kecil sebagai kompensasi discharge sementara supply AC masih bekerja. Ketika ada kegagalan supply tenaga baterai akan terhubung secara
otomatis dengan beban dan mensupply beban. Metode ini tidak dapat digunakan untuk baterai jenis NiMH dan Li-Ion.
Metode Float Charge
Dengan metode ini baterai dan beban secara permanen dihubungkan secara paralel dengan sumber DC dan mensupply tegangan konstan di bawah batas tegangan maksimal baterai. Metode ini bisaa digunakan untuk bateri yang digunakan adalah leadacid.10
2.4 Power Supply
Power Supply adalah sebuah alat elektronik yang berfungsi sebagai sumber daya untuk alat lain terutama daya listrik. Secara garis besar power supply dibagi dua macam, yaitu power supply tak distabilkan dan power supply distabilkan. Power supply tak distabilkan merupakan jenis power supply yang paling sederhana. Pada power supply jenis ini, tegangan maupun arus keluaran dari power supply tidak distabilkan sehingga berubah-ubah sesuai keadaan tegangan masukan dan beban pada keluaran. Power supply jenis ini biasanya digunakan pada alat elektronik yang sederhana dan tidak sensitive terhadap tegangan. Power supply jenis ini juga banyak digunakan pada penguat daya tinggi untuk mengkompensasi lonjakan tegangan keluaran pada penguat. Power supply distabilkan adalah power supply yang menggunakan mekanisme umpan balik untuk menstabilkan tegangan keluarannya, bebas dari variasi tegangan masukan, beban keluaran, maupun dengung. Ada dua jenis power supply yang digunakan untuk menstabilkan tegangan keluaran, yaitu:
2.4.1 Power Supply Linier
Power supply linier jenis yang paling umum digunakan. Cara kerja dari power supply ini adalah mengubah tegangan AC menjadi AC lain yang lebih kecil dengan bantuan transformator. Tegangan ini kemudian disearahkan dengan menggunakan rangkaiana penyearah tegangan dan dibagian akhir ditambahkan kapasitor sebagai sebagai penghalus tegangan sehingga tegangan DC yang dihasilkan tidak terlalu bergelombang. Selain menggunakan diode sebagai penyearah, rangkaian lain dari jenis ini dapat menggunakan regulator tegangan linier sehingga tegangan yang dihasilkan lebih baik dari pada yang menggunakan diode. Power supply jenis ini biasanya dapat menghasilkan tegangan DC yang bervariasi antara 0 – 60 volt dengan arus antara 0 – 10 ampere.
2.4.2 Power Supply sakelar
Power supply jenis ini menggunakan metode yang berbeda dengan power supply linier. Pada jenis ini tegangan AC yang masuk ke dalam rangkaian langsung disearahkan oleh rangkaian penyearah tanpa menggunakan bantuan tranformator. Cara menyearahkan tegangan adalah dengan menggunakan frekuensi tinggi antara 10 KHz hingga 1 MHz, dimana frekuensi ini jauh lebih tinggi dari frekuensi AC yang sekitar 50 Hz. Pada power supply sakelar biasanya diberikan rangkaian umpan balik agar tegangan dan arus yang keluar dari rangkaian ini dapat dikendalikan dengan baik.5
2.5 BCR (Battery Charger Regulator)
Pada prinsipnya pengisian muatan baterai adalah dengan cara mengaliri baterai dengan arus listrik secara terus menerus. Pengisian akan dihentikan ketika tegangan baterai telah sampai pada tegangan maksimumnya. Jika baterai telah mencapai tegangan maksimumnya tetapi tetap dilakukan pengisian maka akan terjadi pemanasan berlebihan pada baterai yang akan memperpendek usia baterai.
Fungsi utama dari BCR adalah mengatur proses pengisian dan pengosongan baterai agar baterai terhindar dari kerusakan. Pengaturan ini dilakukan dengan cara memutus hubungan sumber (solar sel) dengan baterai ketika tegangan baterai telah mencapai HVD (High Voltage Disconect). Pengaturan juga dilakukan dengan memutuskan hubungan baterai dengan beban ketika tegangan baterai telah mencapai LVD (Low Voltage Disconect). Hal ini dilakukan karena jika beterai masih terhubung dengan beban pada kondisi LVD ini maka tegangan baterai akan habis dan dapat merusak beterai.3 2.5.1 Dioda
Dioda memiliki fungsi yang unik yaitu hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Struktur dioda tidak lain adalah sambungan semikonduktor P dan N. Satu sisi adalah semikonduktor dengan tipe P dan satu sisinya yang lain adalah tipe N. Dengan struktur demikian arus hanya akan dapat mengalir dari sisi P menuju sisi N.
Gambar 2.5 Simbol dan struktur dioda
(sumber: http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf)
Gambar 2.5 menunjukkan sambungan PN dengan sedikit porsi kecil yang disebut lapisan deplesi (depletion layer), dimana terdapat keseimbangan hole dan elektron. Seperti yang sudah diketahui, pada sisi P banyak terbentuk hole-hole yang siap menerima elektron sedangkan di sisi N banyak terdapat elektron-elektron yang siap untuk bebas merdeka. Lalu jika diberi bias positif, dengan arti kata memberi tegangan potensial sisi P lebih besar dari sisi N, maka elektron dari sisi N dengan serta merta akan tergerak untuk mengisi hole di sisi P. Tentu kalau elektron mengisi hole disisi P, akan terbentuk hole pada sisi N karena ditinggal elektron. Ini disebut aliran hole dari P menuju N, mengunakan terminologi arus listrik, maka dikatakan terjadi aliran listrik dari sisi P ke sisi N.
Gambar 2.6 dioda dengan bias maju
(sumber: http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf)
Jika polaritas tegangan dibalik yaitu dengan memberikan bias negatif (reverse bias). Dalam hal ini, sisi N mendapat polaritas tegangan lebih besar dari sisi P.
Gambar 2.7 dioda dengan bias negative
(sumber: http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf)
Maka, tidak akan terjadi perpindahan elektron atau aliran hole dari P ke N maupun sebaliknya. Karena baik hole dan elektron masing-masing tertarik ke arah kutup berlawanan. Bahkan lapisan deplesi (depletion layer) semakin besar dan menghalangi terjadinya arus.
Dioda hanya dapat mengalirkan arus satu arah saja. Dengan tegangan bias maju yang kecil saja dioda sudah menjadi konduktor. Tidak serta merta diatas 0 volt, tetapi memang tegangan beberapa volt diatas nol baru bisa terjadi konduksi. Ini disebabkan karena adanya dinding deplesi (deplesion layer). Untuk dioda yang terbuat dari bahan Silikon tegangan konduksi adalah diatas 0.7 volt. Kira-kira 0.2 volt batas minimum untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium.
Gambar 2.8 grafik arus dioda
(sumber: http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf)
Sebaliknya untuk bias negatif dioda tidak dapat mengalirkan arus, namun memang ada batasnya. Sampai beberapa puluh bahkan ratusan volt baru terjadi breakdown, dimana dioda tidak lagi dapat menahan aliran elektron yang terbentuk di lapisan deplesi.6
2.5.2 LED
LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya.LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. LED dibuat agar lebih efisien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkna emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang pakai adalah galium, arsenic dan phosporus. Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula. Gambar 2.9 menunjukan simbol LED.
Gambar 2.9 Simbol LED
(sumber: http://cnt121.files.wordpress.com/2007/11/dioda.pdf)
Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak ada adalah warna merah, kuning dan hijau.LED berwarna biru sangat langka. Pada dasarnya semua warna bisa dihasilkan, namun akan menjadi sangat mahal dan tidak efisien. Dalam memilih LED selain warna, perlu diperhatikan tegangan kerja, arus maksimum dan disipasi daya-nya. Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.6
2.5.3 Dioda Scothkky
Dioda schottky menggunakan logam emas, perak atau platina pada salah satu sisi junction dan silicon yang di dop (biasanya type-n) pada sisi yang alain. Dioda semacam ini adalah piranti unipolar karena electron bebas merupakan pembawa mayoritas pada kedua sisi junction. Dan dioda Schottky ini tidak mempunyai lapisan pengosongan atau penyimpanan muatan, sehingga mengakibatkan ia dapat di switch nyala dan mati lebih cepat dari pada diode bipolar. Perbedaan yang paling penting antara p-n dan diode schotkky adalah dari waktu pemulihan,. Ketika beralih dari keadaan tidak menghantarkan ke keadaan menghantarkan dan sebaliknya, dimana dalam diode p-n waktu pemulihan balik dapat dalam orde ratusan nano-detik dan kurang dari 100 nano-detik untuk diode cepat.6
2.5.4 Diode zener
Penomena tegangan breakdown diode ini mengalami pembuatan komponen elektronika lainnya yang dinamakan zener. Sebenarnya, tidak ada perbedaan struktur dasar dari zener melainkan mirip dengan diode. Karakteristik dari diode zener yang unik yaitu jika diode bekerja pada bias maju, doda zener akan bekerja pada bias terbalik. Diode zener atau juga dikenal sebagai voltage regulator diode adalah silicon PN junction yang bekerja pada reverse bias yang di daerah breakdown. Tegangan zener Vz adalah tegangan reverse dimana terjadi breakdown.6
2.5.5 Oprasional Amplifier (op-amp)
Dalam suatu rangkaian kita sering ingin membandingkan suatu tegangan dengan tegangan yang lain ataupun membandingkan arus dengan arus yang lain. Sebuah pembanding adalah rangkaian dengan dua tegangan masukan (tak membalik atau non inverting dan membalik atau inverting) dan satu tegangan keluaran. Bila tegangan non inverting besar dari tegangan inverting, pembanding menghasilkan tegangan keluaran yang tinggi begitupun kebalikanya. Cara yang paling sederhana untuk membuat pembanding adalah dengan memasang sebuah op-amp tanpa tahanan-tahanan umpan balik.4
Sebuah komparator pada dasarnya merupakan rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi kondisi dimana sebuah sinyal yang berubah terhadap waktu telah mencapai nilai tegangan ambangnya. Komparator banyak kita temui dalam aplikasi-aplikasi system elektronik. Komparator ini dapat digunakan untuk mendeteksi kondisi dari sebuah sinyal elektrik ketika mencapai atau melampaui level tegangan tertentu yang telah didefinisikan sebelumnya. Sebuah rangkaian komparator dapat dibangun dengan menggunakan IC komparator. IC ini pada dasarnya sama seperti op-amp. Perbedaannya adalah IC ini pada umumnya memiliki keluaran-keluaran yang dapat beralih dengan cepat, dan pada umumnya dirancang sebagai penggerak rangkaian-rangkaian digital. Cara lain untuk membentuk rangkaian komparator adalah dengan menggunakan op-amp. Komparator yang dibangun dengan menggunakan op-amp ini dapat juga digunakan sebagai penggerak rangkaian-rangkaian digital jika batas-batas tegangan keluarannya diberikan. Akan tetapi tidak semua jenis op-amp bisa digunakan sebagai komparator. Pada umumnya persyaratan yang harus dimiliki oleh op-amp agar dapat digunakna untuk membangun rangkaian komparator adalah memiliki offset dan drift yang rendah serta waktu peralihan nilai keluaran yang cepat.1
2.5.6 MOSFET
MOSFET atau semikonduktor logam oksida adalah salah satu jenis transistor efek medan. Prinsip dasar dari perangkat ini diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun 1925. MOSFET mencakupi kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut NMOSFET atau PMOSFET. Ini adalah transistor yang paling umum pada sirkuit digital
maupun analog, namun transistor sambungan dua kutub pada satu waktu lebih umum. Terdapat 2 jenis MOOSFET, yaiu:
a. MOSFET Depletion Mode
Gambar 2.10 Struktur MOSFET Depletion Mode (sumber: www.kardus99.blogspot.com )
Pada gambar 2.10 menunjukan struktur dari jenis MOSFET depletion mode. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan electron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti alumunium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2. Semikonduktor tipe p disini disebut substrat p dan
biasanya dihubung singkat dengan dengan source. Dengan menghubung singkat substrat p dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara substrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar lapisan deplesi yang dimaksud adalah yang berwarna kuning. Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan tertentu yang disbabkan lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikan sama dengan tegangan source maka arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi deplesi mulai membuka.7
b. MOSFET Enhancement Mode
MOSFET ini adalah evolusi jenis berikutnya setelah penemuan MOSFET depletion mode. Gate terbuat dari metal alumunium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama
seperti MOSFET depletion mode. Perbedaan struktur yang mendasar adalah pada substrat yang dibuat sampai menyentuh gate.
Gambar 2.11 Struktur MOSFET Enhancement Mode (sumber: www.kardus99.blogspot.com)
Gambar 2.11 merupakan MOSFET enhacement mode kanal n. Jika tegangan gate VGS dibuat negative, tentu saja arus electron tidak dapat mengalir. Begitu juga ketika VGS=0 arus belum juga bisa mengalir karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri electron. Satu-satunya jalan adalah dengan member tegangan VGS positif, karena substrat terhubung dengan source. Maka juka tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap substrat juga positif. Tegangan positif ini akan menyebabkan electron tertarik kearah substrat p. electron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada pada substrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka electron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi substrat yang berbatasan dengan gate. Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan electron akan menyebabkan terbentuknya semacamlapisan n yang negative dan seketika itulaharus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Inversion layer adalh lapisan dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena substratnya tipe p, maka lapisan inversion yang tebentuk adalah bermuatan negative atau tipe n.7
2.5.7 Optocoupler
Optocoupler adalah suatu piranti yang terdiri dari 2 bagian yaitu transmitter dan receiver. Optocoupler digunakan sebagai saklar elektrik yang bekerja secara otomatis. Prinsip kerja optocoupler adalah ketika ada benda yang berada diantara celah sensornya, maka cahaya yang dikirimkan tidak bisa diterima oleh bagian receiver sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati VCC. Begitupula sebaliknya jika tidak ada benda diantara celah sensornya maka akan menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati 0 volt.8 Symbol optocoupler dapat dilihat pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Simbol Optocoupler
(sumber: http://www.robotron-UNM/sensor_optocoupler ) 2.5.8 Transistor
Transistor merupakan alat dengan tiga terminal seperti yang diperlihatkan oleh simbol sirkit pada gambar 2.13. Setelah bahan semikonduktor diolah, terbentuklah bahan semikonduktor jenis p dan n. walaupun proses pembuatannya sangat banyak, pada dasarnya transistor merupakan tiga lapis gabungan kedua jenis bahan tadi, yaitu PNP dan NPN. 1. Transistor PNP Jenis PNP diperlihatkan dalam gambar 2.13(a) dan jenis NPN diperlihatkan dalam gambar 2.13(b). Prinsip kerja kedua tipe ini sama, perbedaannya hanyalah keberadaannya dalam kondisi panjaran DC.
Gambar 2.13 Jenis transistor (a) PNP; (b) NPN (sumber: Zuhal, 1991 )
Gambar 2.13 Simbol sirkit untuk transistor (a) PNP; (b) NPN Gambar dibawah memperlihatkan karakteristik keluaran yang menghubungkan arus Ic dengan tegangan Vce untuk harga arus Ib tertentu. Kurva ini menyajikan hubungan antara arus masukan di satu sisi dan arus serta tegangan keluaran di sisi yang lain. Parameter yang sangat penting bagi transistor adalah penguat arus DC, yang dikenal sebagai penguat arus statis hfe. Ini adalah penguatan transistor pada keadaan stasioner, yaitu tanpa sinyal masukan. Tidak mempunyai satuan (karena suatu perbandingan).
Transistor NPN Kolektor dan emitter merupakan bahan semikonduktor jenis n dan lapisan diantaranya merupakan semikonduktor jenis p. Transistor bekerja dalam satu arah, yaitu dari kolektor menuju emitter, karena kedua terminal tersebut terbuat dari bahan yang sama. Pada dasarnya transistor dapat dianggap sebagai suatu piranti yang beroperasi karena adanya arus. Kalau alat mengalir ke dalam basis dan melewati sambungan basis emitter, suatu suplai positif pada kolektor akan menyebabkan arus mengalir antara kolektor dan emitter. Dua hal yang harus diperhatikan pada arus kolektor ini adalah: a. Untuk arus basis nol, arus kolektor turun sampai pada tingkat arus kebocoran, yaitu kurang dari 1 mikro Ampere dalam kondisi normal (untuk transistor dengan bahan dasar silicon). b. Untuk arus basis tertentu, arus kolektor yang mengalir akan jauh lebih besar daripada arus basis itu. Arus kolektor tersebut dicapai dengan: Ic = hfe x Ib. 3. Transistor Sebagai Saklar Cara yang termudah untuk menggunakan sebuah transistor adalah sebagai sebuah saklar, artinya bahwa kita mengoperasikan transistor pada salah satu dari saturasi atau titik sumbat, tetapi tidak di tempat-tempat sepanjang garis beban. Jika sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi, transistor tersebut seperti sebuah saklar yang tertutup dari kolektor ke emitter. Jika transistor tersumbat (cutoff), transistor seperti sebuah saklar yang terbuka.11
