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

Efek Seebeck pertama kali diamati oleh dokter Thomas Johann Seebeck,

pada tahun 1821, ketika ia mempelajari fenomena thermoelectric. Ini terdiri dalam

produksi yang tenaga listrik antara dua semikonduktor ketika diberikan perbedaan

suhu. Panas dipompa ke satu sisi pasangan dan ditolak dari sisi yang berlawanan.

Sebuah arus listrik yang dihasilkan, sebanding dengan gradien suhu antara panas

dan dingin sisi. Perbedaan suhu di seluruh konverter menghasilkan arus searah ke

beban menghasilkan tegangan terminal dan arus terminal. Tidak ada energi

Universitas Sumatera Utara

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.

VA A

T2 T1

Z

a b

B

Universitas Sumatera Utara

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 ∏A dan ∏B menghasilkan kalor dengan

tingkat menurut :

( ) (2.2)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.2 Ilustrasi sederhana untuk mengamati efek peltier

Pada gambar 2.2 di atas, nilai W bisa saja positif atau negatif. Nilai negatif

menandakan pendingin dari junction. Berlawanan dengan pemanasan joule, efek

peltier sifatnya reversible dan tergantung dari arah arus listrik.

Efek peltier terjadi karena adanya arus listrik yang memiliki arus kalor

dalam konduktor homogeny, yang terjadi walaupun temperatur dalam keadaan

konstan. Akibat dari arus kalor menurut ∏ ∙ I . Persamaan kalor peltier merupakan

keseimbangan aliran kalor dari dan menuju interface. Arus kalor bersama arus

listrik dapat dijelaskan melalui perbedaan kecepatan aliran elektron yang

membawa arus listrik. Kecepatan aliran bergantung pada energi dari elektron yang

mengalami konduksi. Sebagai contoh, jika kecepatan aliran suatu elektron dengan

energi lebih dari potensi kimia (energi Fermi) lebih besar dari elektron dengan

energi yang rendah, arus listrik bersama arus kalor dengan arah yang berlawanan

(karena beban listrik negatif). Dalam hal ini koefisien Peltier bernilai negatif.

Dalam keadaan yang sama akan terjadi juga untuk ȵ semikonduktor, dimana arus

listirk yang dibawa oleh elektron dalam kedaan ikatan konduksi.

Koefisen Seebeck dan Peltier Q dan ∏ menurut hubungan

Konduktor A Konduktor B

I

Universitas Sumatera Utara

(2.3)

yang sudah ditemukan oleh Lord Kelvin, untuk setiap nilai derivasi yang valid

hanya dapat dibuktikan setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron

atau termodinamika irreversible. Kelvin menghubungkan material semikonduktor

untuk menghasilkan dua efek yang berbeda dengan konsekuensi seperti yang

dijelaskan pada efek Peltier di atas.

2.2 Elemen Termoelektrik Peltier

Elemen termoelektrik Peltier merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n

yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban.

Dari perbedaan suhu yang yang ada pada tiap junction ditiap semikonduktor

tersebut akan menyebabkan elektron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.

Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek (efek

Seebeck dan efek Peltier), batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan

pada dua semikonduktor tersebut, meke elektrin pada sisi panas semikonduktor

akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan

dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka

electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan

timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut.

Universitas Sumatera Utara

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 dTpanas dingin

dinginpanas

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.4 Elemen peltier

(Sumber : Malcore Wibsite-edited)

Elemen peltier tersusun atas serangkaian dua tipe semikonduktor (tipe p

dan tipe n) yang dihubungkan secara seri. Pada setiap dua sambungan antara dua

tipe semikonduktor tersebut dari logam/tembaga. Interkoneksi konduktor tersebut

diletakkan masing-masing dibagian bawah semikonduktor. Konduktor bagian atas

ditunjukkan untuk membuang kalor dan konduktor bagian bawah ditunjukkan

untuk menyerap kalor. Pada kedua bagian interkoneksi ditampelkan plat yang

terbuta dari kramik. Plat tersebut dibuat untuk memusatkan kalor yang

ditimbulkan oleh konduktor.

Gambar 2.5 Struktur elemen peltier

(Sumber : Malcore Wibsite-edited)

Universitas Sumatera Utara

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

Panas Buang

PN

Universitas Sumatera Utara

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)

Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen peltier menjadi dingin adalah

mengalirnya electron dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor

Universitas Sumatera Utara

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)

Bila elektron mengalir pada semikonduktor dari tipe p (kekurangan

energi), menyerap kalor pada bagian yang didinginkan kemudian mengalir ke

semikonduktor tipe n. Semikonduktor tipe n yang kelebihan energi akan

membuang (melepaskan) energi tersebut ke lingkukungan dan mengalir ke

Universitas Sumatera Utara

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 P NN

Isolator listrik

Kondutktor

Semikondutktor

e

Universitas Sumatera Utara

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

Beban Pendinginan

Temperatur Ambien

PN

Isolator Listrik

Penghantar Listrik

Penghantar Listrik

Isolator Listrik

Pelepas Panas

Ambien

Temperatur Relatif

Jara

k d

ari

Beb

an

T beban

T isolator

T dingin

T panas

T isolator

T ambiendT sistem

dT pada elemen

Universitas Sumatera Utara

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).

1

2 3

4

5

6

Keterangan:

1. Sisi Dingin (Cool Sink)

2. Plat Keramik Dingin

3. Plat Keramik Panas

4. Sel Termoelektrik

5. Sisi Panas (Heat Sink)

6. Sirip-sirip (Fins)

Universitas Sumatera Utara

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

Untuk mengukur kelembaban udara di suatu ruang diperlukan alat ukur

yang disebut hygrometer dan untuk mengukur temperatur digunakan

thermometer. Hygrometer dan termometer digital memang tersedia di pasaran

dalam bentuk potable, akan tetapi harganya relatif mahal. Kedua alat ukur

tersebut biasanya dikemas dalam modul yang terpisah, padahal penggunaannya

seringkali diperlukan bersamaan.

Universitas Sumatera Utara

Humidity Sensor Module (HSM-20G) adalh sensor pengukur kelembaban

dan temperatur diadaptasi dalam satu koponen yang produksi oleh Citron

Thecnoligy.

Gambar 2.12 Sensor Humidity dan Temperatur (HSM-20G)

Sensor humidity HSM-20G dimana kelebaban relative bisa dikonversi

langsung ke tegangan standart. Macam-macam dari jenis aplikasi yang

dapat digunakan oleh sensor ini adalah lembab dan sangat lembab, untuk

AC, data loggers kelembaban, automotive climate control, dan lai-lain.

Sensor ini memiliki batas karakteristik dimana batas input

tegangan DC 5 ± 0,2 volt, sedangkan batas outpu tegangan adalah sebesar

DC 1 – 3 volt, akurasi pengukuran ±5 % RH, operasi arus maksimum

2mA, batas storage RH 0 – 99 % RH, batas operasi RH 20 – 95 % RH

(100 % RH intermittent), kondensasi transien < 3 %RH, batas stroge

temperatur -20 0C – 70

0C, batas operasi temperatur 0

0C – 50

0C,

Universitas Sumatera Utara

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

Pada tabel 2.1 dapat dilihat bahwa range atau batas untuk nilai

kelembaban pada sensor HSM-20G sebagaimana terlihat bahwa nilai

tegangan keluaran berbanding lurus dengan presentase kelembaban. Nilai

yang tertera di atas nilai batas kelembaban maksimum 90% RH dan batas

minimum 10%RH dengan tegangan 0,74 volt dan maksimal 3,19 volt.

Universitas Sumatera Utara

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)

Coil (Kumparan tembaga)

Contact

Universitas Sumatera Utara

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.

Kecepatan respon relay sebagai switch sangat cepat. Jika ada masukan

input atau gangguan, relay akan bekerja hanya dalam waktu ±10 ms. Kecepatan

kerja relay sebagai pengaman mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan

sistem agar tidak terganggu. (Widodo & Sigit, 2008).

Universitas Sumatera Utara