PROPOSAL CUT Khairunnisa (Elin) Revisi [PDF]

Citation preview

PERANCANGAN SISTEM PEMBANGKIT ENERGI TERBARUKAN MENGGUNAKAN SENSOR PIEZOELEKTRIK PROPOSAL



Diajukan untuk melengkapi tugas-tugas dan memenuhi syarat-syarat guna pelaksanaan penelitian Tugas Akhir



Oleh: CUT KHAIRUNNISA NPM. 1608102010030



PROGRAM STUDI SARJANA FISIKA JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SYIAH KUALA, BANDA ACEH AGUSTUS, 2020



PENGESAHAN PERANCANGAN SISTEM PEMBANGKIT ENERGI TERBARUKAN MENGGUNAKAN SENSOR PIEZOELEKTRIK Oleh: Nama



: Cut Khairunnisa



NPM



: 1608102010030



Program Studi



: Fisika



Menyetujui, Pembimbing I,



Pembimbing II,



Elin Yusibani, S.Si, D.Eng., M.Eng



Dr. M. Syukri Surbakti, S.Si., M.Si



NIP. 197903232006042002



NIP. 197310302000121001



Mengetahui: Ketua Program StudiFisika Universitas Syiah Kuala Kuala,



Dr. Mursal, S.Si., M.Si NIP. 197012201997021001



KATA PENGANTAR



Syukur Alhamdulillah dipanjatkan ke hadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat-Nya sehingga Proposal



yang berjudul Perancangan Sistem Pembangkit



Energi Terbarukan Menggunakan Sensor Piezoelektrik dapat diselesaikan. Selawat dan salam disanjungkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW. Proposal



ini



merupakan



salah



satu



syarat



yang



harus



dipenuhi untuk



memperoleh gelar Sarjana di Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala. Penyelesaian penulisan Proposal ini tidak terlepas dari bantuan dan dorongan dari berbagai pihak,



baik



secara



moril



maupun materil. Pada kesempatan ini, ucapan terimakasih diucapkan kepada: 1. Bapak Dr. Mursal, S.Si., M.Si selaku Ketua Jurusan Fisika. 2. Ibu Elin Yusibani, S.Si, D.Eng., M.Eng. selaku Pembimbing Utama yang telah banyak meluangkan waktu, membimbing, dan memberikan arahan kepada penulis dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. 3. Bapak Dr. M. Syukri Surbakti, S.Si., M.Si. selaku Pembimbing Kedua dan Pembimbing Akademik yang telah banyak memberikan bantuan, dorongan, semangat, dan motivasi untuk penulis. 4.



Ayahanda dan Ibunda



yang



telah



mendukung



penulis dalam



penyelesaian studi di Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Syiah Kuala. 5.



Ibu Irhamni, S.Si., M.Si. selaku koordinator Tugas Akhir Jurusan



Fisika. 6. Rizki Ilhamsyah Putra, M. Alfarizi, Muhajirin, Farah Dina, Husnul Hayati, Lidya Rizki Putri, dan Dita Duhita yang telah memberikan semangat untuk mengerjakan Tugas Akhir.



7. Atta Irrahman, Mauliyanti, Nuzulia dan teman-teman KBM Elin lainnya yang telah membantu dan memotivasi dalam penyusunan Tugas Akhir. 8. Teman-teman seperjuangan Fisika Leting 2016 yang telah membantu dan mendukung dari awal kuliah hingga menyelesaikan Tugas Akhir. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan.



Banda Aceh,



Cut Khairunnisa NPM. 1608102010030



BAB I PENDAHULUAN 1.1



Latar Belakang Energi listrik kini menjadi kebutuhan yang sangat penting bagi masyarakat baik



itu untuk kebutuhan rumah tangga maupun untuk kebutuhan industri. Oleh karena itu energi baru dan terbarukan memiliki peran yang sangat penting dalam memenuhi kebutuhan energi. Alternatif dari keterbatasan energi tidak terbarukan, manusia mencoba untuk menciptakan beberapa alat pemanen energi (energy harvesting). Energy Harvesting adalah proses dimana energi berasal dari sumber eksternal seperti energi bunyi, energi potensial, dan energi kinetik yang ditangkap dan dikonversikan menjadi energi listrik. Pemanen Energi dapat dilakukan dengan berbagai cara, salah satunya berupa sensor piezoelektrik yang mampu mengubah energi mekanis dari tekanan menjadi energi listrik. Piezoelektrik adalah suatu efek yang reversibel, dimana terdapat efek piezoelektrik langsung (direct piezoelectric effect) yaitu produksi potensial listrik akibat adanya tekanan mekanik dan efek piezoelektrik balikan (converse piezoelectric effect)  yaitu produksi tekanan akibat pemberian tegangan listrik yang menghasilkan perubahan dimensi. Perancangan piezoelektrik telah banyak dimodifikasi oleh beberapa orang, diantaranya Maulana (2016) dalam penelitiannya memanfaatan sensor piezoelektrik sebagai sumber energi pada sepatu. Maulana menggunakan 4 buah sensor piezoelektrik yang disusun secara seri dan paralel dengan memberikan beban 55, 60, dan 65 kg pada tiap penyusunannya. Daya keluaran yang dihasilkan dari penyusunan secara seri adalah 5,8 µW dengan beban 65 kg, sedangkan secara paralel daya yang dihasilkan 24,5 µW dari beban 60 kg. Hidayatullah dkk. (2016) dalam penelitiannya merancang alat penghasil energi listrik dengan bahan dasar piezoelektrik tipe ABT-441-RC. Hidayatullah menggunakan 30 piezoelektrik yang disusun secara paralel, menghasilkan tegangan 0.702 V ketika di beri gaya 49 N. Almanda dkk. (2016) dalam penelitiannya membuat desain model sensor piezoelektrik berbahan polyvinilidane diflouride (PVDF) menggunakan aplikasi Computer Aided Design (CAD Code), dengan ukuran 1 x 1 x 0.5 cm 3. Hasil pengujian



piezoelektrik yang disusun secara seri menggunakan tekanan air hujan menghasilkan tegangan DC sebesar 2.0, 2.10 dan 2.34 Volt. Shaputra (2019) dalam penelitiannya membuat rancang bangun pembangkit listrik tenaga ombak berbasis piezoelektrik dengan modul charging TP5100 pada bangunan groin pemecah ombak pantai Padang. Tegangan rata-rata maksimum yang dihasilkannya dari sensor piezoelektrik yang disusun secara paralel sebesar 2.75 volt DC, dengan daya 45,83 mW. Berdasarkan penelitian sebelumnya menunjukan bahwa perancangan sensor piezoelektrik yang tahan terhadap air masih terbatas dan menjadi tantangan bagi penulis untuk merancang sumber energi terbarukan dari sensor piezoelektrik tahan air dengan efisiensi dan efektivitas yang lebih baik. 1.2



Rumusan Masalah Sensor piezoelektrik dapat dipakai untuk menghasilkan listrik sebagai konsumsi



daya untuk instrumen elektronik bertenaga kecil dari sumber air yang kontinu seperti air mancur, arus air, ombak dan lain-lain. Berdasarkan uraian latar belakang diatas menunjukan bahwa penelitian piezoelektrik dengan menggunakan penyusunan sensor secara paralel dapat menghasilkan tegangan (volt) yang baik, tetapi perancangan piezoelektrik yang tahan air masih terbatas sehingga menjadi tantangan bagi penulis untuk merancang pemanen energi dari sumber tekanan berupa air yang lebih efektif dan lebih optimal. Oleh karena itu penulis melakukan perancangan sumber energi terbarukan dari sensor piezoelektrik yang tahan air dan menganalisis bagaimana pengaruh jumlah sensor yang digunakan terhadap keluaran tegangan. 1.3 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dilakukannya penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Merancang sensor piezoelektrik tahan air yang dapat menghasilkan sumber tegangan listrik yang efisien dengan menggunakan rangkaian paralel. 2. Melihat pengaruh jumlah sensor yang digunakan terhadap keluaran tegangan.



1.4



Manfaat Penelitian Adapun manfaat penelitian ini yaitu sebagai berikut : 1. Merancang sensor piezoelektrik tahan air yang dapat menghasilkan sumber tegangan listrik yang efisien dan ramah lingkungan. 2. Dapat mengetahui pengaruh jumlah sensor yang digunakan terhadap keluaran tegangan.



BAB II TINJAUAN PUSTAKA



2.1 Piezoelektrik Piezo berarti tekanan, dimana kata “piezo” berasal dari bahasa italia. Ketika piezo mendapat tekanan maka bahan piezoelektrik dapat menghasilkan beda potensial listrik dan dapat bekerja sebaliknya (Mikrajuddin, 2006). Pengertian piezoelektrisitas menurut kamus besar bahasa indonesia digital merupakan arus listrik yang diperoleh dari efek piezoelektrik. Sedangkan efek piezoelektrik terjadi apabila kristal diberi tekanan mekasis akan menimbulkan arus listrik dan apabila kristal tersebut dilalui arus bolak-balik maka kristal tersebut akan bergetar (Christianto,2011). Piezoelektrisitas adalah sebuah fenomena yang terjadi saat sebuah gaya yang diterapkan pada suatu bahan yang menimbulkan muatan listrik pada permukaannya. Sumber fenomena ini adalah adanya distribusi muatan listrik pada sel-sel kristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrik berada pada rentang 1- 100 pico coloumb/Newton (Yang,2005). Material piezoelektrik sangat sensitif terhadap adanya tegangan mekanik dan medan listrik. Jika tegangan mekanik diaplikasikan ke suatu material piezoelektrik maka akan terjadi suatu medan listrik pada material tersebut yang disebuat sebagai efek piezoelektrik. Efek piezoelektrik bersifat reversibel yaitu dapat menghasilkan direct piezoelectric effect (menghasilkan energi listrik jika diaplikasikan tegangan mekanik) dan menghasilkan reverse piezoelectric effect (menghasilkan tegangan atau regangan mekanik jika diaplikasikan beda potensial listrik) (Ahda dan Mardianto,2010). 2.1.1 Sejarah Piezoelektrik Jacques dan Pierre Curie adalah seorang penemu bahan piezoelektrik pertama kali pada tahun 1880-an. Bahan piezoelektrik merupakan material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai regangan atau tekanan mekanis. Tekanan tersebut akan menebabkan penyesuaian molekul sehingga material mengalami perubahan dimensi (Triwahyuni, 2010).



2.1.2 Bahan Piezoelektrik Bahan piezoelektrik adalah material yang memproduksi medan listrik ketika dikenai atau tekanan mekanis. Sebaliknya, jika medan listrik diterapkan, maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Bahan piezoelektrik alami diantaranya: Kuarsa (Quartz, SiO2), Berlinite, Turmalin, Garam Rossel Berlinite (AlPO4), gula tebu dan enamel.



Bahan piezoelektrik buatan diantaranya: Barium



titanate (BaTiO3), Lead Zirconium Titanate (PZT), Lead Titanate (PbTiO3), Polyvinilidene Diflouride (PVDF), Gallium Ortofosfat (GaPO4) dan Langasite (La3Ga5SiO14) dan lainnya (Rahayu, 2013). Bahan piezoelektrik merupakan material yang dapat memproduksi medan listrik ketika mendapat tekanan mekanis. Sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan maka material tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis. Elemen piezoelektrik ini tersusun dari elektroda yang terdapat pada lapisan atas, piezoelectric ceramic berada di lapisan tengah dan metal plate yang terdapat pada lapisan bawah. Susuan material pada elemen piezoelektrik dapat diliat pada Gambar 2.1 (Triwahyuni, 2010). Elektroda Keramik Piezoelektrik



Diafragma Piezoelektrik



Piringan Logam



Gambar 2.1 Susunan Material pada Elemen Piezoelektrik 2.1.3 Efek Piezoelektrik Efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, dihasilkan dipole yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal material. Penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Fenomena tersebut dikenal dengan electrostriction. Fenomena efek piezoelektrik dapat dilihat pada Gambar 2.2 (Ebrahimi, 2013).



Gambar 2.2 Efek Piezoelektrik (Sumber : Ebrahimi, Farzad. Piezoelectric Materials and Devices-Practice and Aplications, 2013) A : Sebelum diberi tekanan atau medan listrik. B : Ketika diberi medan listrik, bahan memanjang. C : Diberi medan listrik berlawanan, bahan memendek. D : Ketika diberi tekanan, induksi polarisasi dan tegangan luar terjadi. Efek piezoelektrik adalah kemampuan kristal yang tidak memiliki pusat simetri menghasilkan tegangan sebagai respons terhadap gaya mekanik yang diterapkan dan sebaliknya seperti pada Gambar 2.3. Efeknya ditemukan oleh Curie bersaudara pada tahun 1880. Sifatnya Efeknya terkait dengan terjadinya momen dipol listrik. Dalam piezoelektrik bahan polarisasi dapat berubah ketika tekanan mekanik diterapkan. Efek piezoelektrik tergantung pada: (1)orientasi polarisasi, (2)simetri kristal, dan (3)tekanan mekanik yang diterapkan (Kalantar-zadeh,2013)



Gaya



Gambar 2.3 (a) Bahan piezoelektrik. (b) respon tegangan dapat diukur sebagai hasil dari a kompresi atau ekspansi. Tegangan yang diberikan (c) meluas atau (d) mengompres piezoelektrik bahan tergantung pada polaritasnya



2.1.4 Prinsip Kerja Piezoelektrik Sifat efek piezoelektrik berkaitan erat dengan terjadinya momen dipol listrik pada suatu padatan. Efek tersebut juga dapat dirangsang untuk ion di situs kisi kristal dengan lingkungan yang “asimetris”, seperti dalam BaTiO3 dan PZTs. Kepadatan dipol atau polarisasi dapat dengan mudah dihitung pada kristal dengan menjumlahkan momen dipol per volume unit sel satuan kristal. Dipol



yang deket satu sama lain akan



cenderung berpihak di daerah yang disebut dengan daerah Weiss Domain. Domain biasanya berorientasi acak, tetapi dapat disejajarkan dengan cara proses poling dimana medan listrik yang kuat akan diterapkan pada bahan bertemperatur tinggi. Seperti pada Gambar 2.4 (Anjaswati,2013).



Gambar 2.4 Prinsip Kerja Piezoelektrik Pada efek piezoelektrik, perubahan polarisasi terjadi akibat dari pembebanan atau stress mekanik. Piezoelektrik tidak disebabkan oleh perubahan densitas muatan dipermukaan melainkan dengan kepadatan dipol pada bulk. Bahan dielektrik adalah suatu bahan yang secara kelistrikan bersifat isolator dan dapat memperlihatkan struktur dipol listrik, yaitu adanya pemisahan antara muatan listrik positif dan listrik negatif pada tingkatan molekuler atau atomik (Callister, 1994). Pembangkit listrik magnetik dan piezoelektrik mempunyai prinsip kerja yang hampir sama. Pembangkit listrik dari magnet menggunakan energi mekanik untuk diubah menjadi magnet. Perubahan medan magnet menghasilkan gaya untuk menggerakkan elektron bebas. Dalam pembangkit listrik piezoelektrik, elektron bebas bergerak dengan mengubah medan listrik yang berada di dalam kristal (Kim, 2002). Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan Pembangkit dari Piezoelektrik dapat dilihat seperti pada Gambar 2.5.



Gaya



Rotasi



Gambar 2.5 Prinsip Kerja Pembangkit Listrik dari Magnet dan Pembangkit dari Piezoelektrik (Kim, 2002) 2.1.5 Persamaan Matematis Piezoelektrik Piezoelektrik adalah gabungan efek dari perilaku listrik material: D = E



(2.1)



dimana D adalah perpindahan densitas muatan listrik (perpindahan listrik),  adalah permitivitas dan E adalah kekuatan medan listrik, dan Hukum Hooke: S = sT



(2.2)



dimana S adalah regangan, s adalah compiance dan T adalah tekanan. Persamaan 2.1 dan 2.2 dapat digabungkan menjadi persamaan gabungan, dimana bentuk persamaan gabungan pengisian regangannya, dapat dilihat pada Persamaan 2.3 dan 2.4 (Ebrahimi,2013). {S} = [sE] {T} + [dt ] {E}



(2.3)



{D} = [d] {T} + [T] {E}



(2.4)



2.2 Komponen Listrik Komponen-komponen elektronika dapat dibedakan menjadi dua macam berdasarkan dapat atau tidaknya suatu komponen untuk menghasilkan tegangan dan arus, yaitu komponen pasif dan komponen aktif. Dimana Komponen pasif merupakan komponen elektronika yang tidak dapat menghasilkan tegangan dan arus dengan sendirinya. Sedangkan, Komponen aktif adalah komponen elektronika yang dapat menghasilkan tegangan dan arus dengan sendirinya (Tooley, 2002). 2.2.1 Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronika yang digunakan dalam menyimpan muatan listrik. Sehingga kapasitor dapat diartikan sebagai alat atau sebagai tempat



penampungan (reservior) dimana muatan listrik dapat disimpan dan diambil kembali. Kapasitor ini termasuk komponen pasif karena tidak menghasilkan arus dan tegangan listrik (Tooley,2002). Kapasitor tersusun atas dua plat metal yang dipisahkan oleh bahan dielektrik. Material dielektrik adalan isolator yang bersifat menambah kapasitansi (Adi, 2010). Bahan- bahan dielektrik yang umum digunakan ialah keramik. Jika ujung ujung plat metal diberikan tegangan listrik maka muatan positif akan berkumpul pada salah satu kaki (elektroda) metal dan pada saat yang sama muatan negatif berkumpul pada ujung kaki lainnya. Dielektrum kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.6 (Zaki, 2005).



Gambar 2.6 Dielektrikum Kapasitor Muatan positif tidak dapat mengalir ke ujung kutub negatif dan begitu pula sebaliknya, muatan negatif tidak akan dapat mengalir ke ujung kutub positif. Hal ini disebabkan diantara kedua ujung ada suatu bahan dielektrik yang nonkonduktif. Sehingga, muatan ini akan tersimpan selama tidak ada konduksi pada ke ujung kakinya. Di alam bebas, fenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan positif dan negatif di awan. Prinsip kerja kapasitor seperti pada gambar 2.7 (Zaki,2005).



Gambar 2.7 Prinsip Kerja Kapasitor Satuan kapasitansi dalam kapasitor adalah Farad (F). Nilai kapasitansi ini tergantung pada material dielektrik yang digunakan dalam kapasitor dan ukuran geometri dari plat yang digunakan. Dimana nilai kapasitor ini berkisar antara 1 pF



hingga 1000 µF . Diketahui bahwa 1F = 106 µF = 109 nF = 1012 pF. Sedangkan besarnya arus pada kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangan, dirumuskan (Adi, 2010): I=C



dV dt



(2.5)



Energi yang tersimpan dalam satu kapasitor berbanding lurus dengan hasil kali dari kapasitansi dengan kuadrat dari beda potensial. Maka (Tooley, 2002): E=0,5CV2



(2.6)



Dimana E adalah energi dalam joule, C adalah kapasitansi dalam Farad, dan V adalah beda potensial dalam volt (Tooley,2002). Rangkaian kapasitor ini selain sebagai tempat penyimpanan muatan listrik juga dapat berfungsi menghilangkan riak arus pada catu daya, sebagai peranti penunda, sebagai penapis (filter) karena dapat meneruskan arus AC dan menahan arus DC, serta dapat melakukan integrasi ataupun diferensial sinyal berulang (Adi, 2010). 2.2.2 Resistor Resistansi merupakan sifat material yang cenderung menghambat arus listrik. Resistor sendiri merupakan komponen yang mempunyai sifat resistansi tersebut. Komponen ini akan mengubah energi listrik menjadi energi panas (Adi, 2010). Umumnya resistor ini terbuat dari karbon. Dalam hukum ohm diketahui bahwa resistansi berbanding terbalik dengan jumlah arus yang mengalir melaluinya. Satuan resistansi sendiri adalah ohm disimbolkan (Ahmad,2007). Bentuk-bentuk resistor konvesional mengikuti sebuah hukum yaitu hukum garis lurus atau straight line law yaitu ketika tegangan di plot terhadap arus sehingga ini akan memungkinkan penggunaan resistor sebagi suatu sarana untuk mengkonversi arus menjadi jatuh tegangan dan sebaliknya. Karena itulah resistor merupakan komponen untuk mengontrol arus dan tegangan yang bekerja dalam rangkaian elektronika. Selain itu resistor juga dapat berfungsi sebagai beban untuk menstimulasi keberadaan suatu rangkaian dalam sebuah percobaan (Tooley,2002). Berdasarkan jenis dan bahan yang digunakan resistor digunakan menjadi beberapa yaitu resistor kawat, resistor arang, dan resistor oksida logam. Namun demikian dalam perdagangan resistor dibedakan menjadi resistor tetap dan resistor tidak tetap/ variabel. Resistor tetap contohnya seperti metal film resistor, metal oxide resistor, carbon film resistor, dan ceramic encased wirewound, dan sebagainya. Sedangkan



beberapa contoh kapasitor variabel seperti potensiometer, trimerpotensiometer, termister, DR, dan Vdr (Ahmad,2007). Tipe resistor pada umumnya adalah berbentuk tabung dengan dua kaki tembaga dikiri dan dikanannya. Pada bagian badan terdapat lingkaran warna berbentuk gelang untuk memudahkan pemakai mengetahui besar resistansi tanpa perlu mengukur menggunakan ohmmeter. Kode warna tersebut adalah standar manufaktur yang dikeluarkan oleh EIA (Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada tabel 2.1 (Zaki, 2005). Tabel 2.1 Kode Warna pada Resistor NO. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.



WARNA Hitam Coklat Merah Jingga Kuning Hijau Biru Violet Abu-abu Putih Emas Perak Tanpa Warna



NILAI 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -



FAKTOR PENGALI 1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 10-1 10-2 -



TOLERANSI ±1% ±2% ±5% ±10% ±20%



Resistor juga dikenal dua macam yaitu resistor tetap dan resistor variabel (tidak tetap). Resistor tetap adalah resistor yang memiliki nilai hambatan yang tetap. Dimana biasanya resistor jenis ini memiliki batasan daya 1/6 w. 1/8 w. ¼ w, ½ w, 1 w, 5 w, dsb yang berarti resistor hanya dapat dioperasikan dengan daya maksimal sesuai dengan kemampuan dayanya. Sedangkan, resistor tidak tetap adalah resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah atau tidak tetap. Jenisnya yaitu hambatan geser, Trimpot dan Potensiometer. Trimpot sendiri merupakan resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah dengan cara memutar porosnya dengan menggunakan obeng. Untuk mengetahui nilai hambatan dari suatu trimpot dapat dilihat dari angka yang tercantum pada badan trimpot tersebut. Sedangkan potensiometer merupakan resistor yang nilai hambatannya dapat diubah-ubah dengan memutar poros yang telah tersedia. Secara fungsional potensiometer pada memiliki fungsi yang sama dengan trimpot (Ahmad,2007).



2.2.3 Dioda Dioda merupakan salah satu komponen semikonduktor. Disebut semi konduktor atau setengah konduktor karena bahan ini tidak disusun dari konduktor murni (Zaki,2005). Dioda ini merupakan komponen sederhana yang terbuat oleh bahan semikonduktor bahan yang umum digunakan dioda ialah silikon (Adi, 2010). Untuk simbol dioda dapat dilihat pada gambar 2.8.



Gambar 2.8 Simbol Dioda Fungsi utama dioda adalah penyearah arus AC menjadi arus DC. Selain itu dioda juga berfungsi sebagai pengaman dari beban induktif, misalnya solenoid, relay ataupun motor listrik. Pada saat dipadamkan maka beban induktif akan menghasilkan tegangan yang cukup tinggi sehingga dapat merusak transistor maupun IC lain yang berfungsi sebagai input. Pada saat inilah dioda berfungsi sebagai pengaman komponen lainnya (Adi, 2010) selain itu diode juga telah memiliki fungsi yang lain yaitu pada penerapan diode PN-Juction ternyata juga dapat diaplikasikan sebagai sel surya (Ginting, 2006). 2.2.4



LED (Light Emiting Diode) LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED



merupakan produk temuan lain selain 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 efiesien jika mengeluarkan cahaya. Untuk mendapatkan emisi cahaya pada semikonduktor, doping yang dipakai adalah galium, arsenik dan fosfor.Jenis doping yang berbeda menghasilkan warna cahaya yang berbeda pula (Tooley,2002). Pada saat ini warna-warna cahaya LED yang banyak adalah warna merah, kuning, dan hiajau. 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 dayanya.



Rumah (chasing) LED dan bentuknya juga bermacam-macam, ada yang persegi empat, bulat dan lonjong.Adapun bentuk fisik dari LED seperti pada gambar 2.9 (Tooley,2002).



Gambar 2.9 LED (Light Emiting Diode) 2.2.5



LCD (Liquid Crystal Display) LCD merupakan salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai



tampilan suatu data, baik karakter, huruf, atau grafik. LCD membutuhkan tegangan dan daya yang kecil sehingga sering digunakan untuk aplikasi pada kalkulator, arloji digital, dan instrumen elektronik seperti multimeter digital. LCD memanfaatkan silikon dan galium dalam bentuk kristal cair sebagai pemendar cahaya. Pada layar LCD, setiap matrik adalah susunan dua dimensi piksel yang dibagi dalam baris dan kolom. Dengan demikian, setiap pertemuan baris dan kolom terdiri dari LED pada bidang latar (backplane), yang merupakan lempengan kaca bagian belakang dengan sisi dalam yang ditutupi oleh lapisan elektroda transparan. Dalam keadaan normal, cairan yang digunakan memiliki warna cerah. Kemudian daerah-daerah tertentu pada cairan tersebut warnanya akan berubah menjadi hitam ketika tegangan diterapkan antara bidang latar dan pola elektroda yang terdapat pada sisi dalam kaca bagian depan. Keunggulan menggunakan LCD adalah konsumsi daya yang relatif kecil dan menarik arus yang kecil (beberapa mikro ampere), sehingga alat atau sistem menjadi portable karena dapat menggunakan catu daya yang kecil. Keunggulan lainnya adalah ukuran LCD yang pas yakni tidak terlalu kecil dan tidak terlalu besar, kemudian tampilan yang diperlihatkan dari LCD dapat dibaca dengan mudah dan jelas (Setiawan,2010). Seperti yang terlihat pada gambar 2.10 merupakan gambar bentuk fisik dari LCD 16x2.



Gambar 2.10 LCD 16x2 2.2.6 Arduino Uno Arduino adalah platform pembuatan prototipe elektronik yang bersifat open source Hardware yang berdasarkan pada perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan mudah digunakan. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer dan siapapun yang tertarik dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif. Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Platform arduino terdiri dari arduino board, shield, bahasa pemrograman arduino dan arduino development environment. Arduino board biasanya memiliki sebuah chip dasar mikrokontroler Atmel AVR Atmega8 berikut turunannya. Blok Diagram arduino board yang sudah disederhanakan dapat dilihat pada gambar 2.11.



Gambar 2.11 Blok Diagram Arduino Board (Sumber: arduino.inc) Kegunaan arduino tergantung pada program yang dibuat. Bahasa pemrograman arduino adalah bahasa pemrograman yang umum digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada arduino board. Bahasa pemrograman arduino mirip dengan bahasa pemrograman C++. Tetapi bahasa ini sudah dipermudah menggunakan fungsi-



fungsi sederhana sehingga pemula bisa mempelajarinya dengan mudah (Maulin, Sulvina. 2008). Arduino Uno adalah arduino board yang menggunakan mikrokontroler ATmega328. Arduino Uno memiliki 14 digital input/output pin dan 6 analog input. Arduino Uno memuat segala hal yang dibutuhkan untuk mendukung sebuah mikrokontroler. Hanya dengan menghubungkannya ke sebuah komputer melalui USB atau memberikan tegangan DC dari baterai atau adaptor AC ke DC sudah dapat membuatnya bekerja (Simanjuntak, 2012). Nama “Uno” berarti satu dalam bahasa Italia, untuk menandai peluncuran Arduino 1.0. Uno dan versi 1.0 akan menjadi versi referensi dari Arduino. Uno adalah yang terbaru dalam serangkaian board USB Arduino, dan sebagai model referensi untuk platform Arduino. Arduino Uno memiliki 6 masukan analog yang diberi label A0 sampai A5, setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default pin mengukur nilai tegangan dari ground 0V hingga 5V . Bentuk dari Arduino Uno dapat dilihat seperti pada gambar 2.12 (Simanjuntak, 2012).



Gambar 2.12 Arduino Uno (Sumber: arduino.inc) Berikut adalah penjelasan dari bagian-bagian pada Arduino Uno: a. USB Port, Port USB ini digunakan untuk melakukan upload program yang telah dibuat ke board Arduino. b. DC Input, digunakan sebagai sumber tenaga dari Arduino Uno. c. Input/Output Digital, merupakan Port yang digunakan sebagai input dan output dari data digital. d. Reset Button, tombol yang digunakan untuk melakukan restart dari program yang berjalan pada Arduino Uno. e. ATMega328, mikrokontroler yang digunakan pada Arduino Uno.



f. Input Analog, merupakan Port yang digunakan sebagai input dari data analog. Arduino memiliki 6 masukan analog yang diberi label A0 sampai A5, setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default pin mengukur nilai tegangan dari ground (0V) hingga 5V, walaupun begitu dimungkinkan untuk mengganti nilai batas atas dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analogReferences() (Simanjuntak, 2012). Dalam proses Mengunggah program dari software Arduino IDE dibutuhkan kabel khusus untuk Arduino Uno. Berikut Gambar 2.13 Kabel USB yang digunakan dalam proses Mengunggah ke Mikrokontroller Arduino Uno (Arduino.inc).



Gambar 2.13 Kabel Arduino (Sumber: Arduino.inc) 2.3 Hukum-hukum Rangkaian 2.3.1 Hukum Ohm Apabila sebuah penghantar atau resistansi dilewati sebuah arus, maka pada kedua ujung penghantar tersebut akan muncul beda potensial. Hukum Ohm menyatakan bahwa tegangan yang melewati berbagai jenis bahan penghantar akan berbanding lurus dengan arus yang mengalir pada bahan tersebut. Apabila dinyatakan dalam persamaan adalah sebagai berikut (Young,2003). V = I.R



(2.7)



2.3.2 Hukum Kirchoff I (Kirchoff’s Current Law (KCL)) Pada Hukum Kirchoff I menyatakan bahwa jumlah arus yang memasuki suatu percabangan atau node atau simpul samadengan arus yang meninggalkan percabangan atau node atau simpul, dengan kata lain jumlah aljabar semua arus yang memasuki sebuah percabangan atau node atau simpul samadengan nol. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut (Serway,2009).



∑ Arus pada satu titik percabangan = 0 ∑ Arus yang masuk percabangan



= ∑ Arus yang keluar percabangan



Sebagai ilustrasi yaitu arus yang mengalir diilustrasikan sebagai aliran sungai, dimana pada saat menemui percabangan maka aliran sungai tersebut akan terbagi sesuai proporsinya pada percabangan tersebut. Artinya bahwa aliran sungai akan terbagi sesuai dengan jumlah percabangan yang ada, dimana tentunya jumlah debit air yang masuk akan sama dengan jumlah debit air yang keluar dari percabangan tersebut. Contohnya terlihat pada gambar 2.14 (Serway,2009).



Gambar 2.14 Hukum Kirchoff I Persamaan dari gambar diatas yaitu sebagai berikut: ∑I=0



(2.8)



I2 + I4 – I1 – I3 = 0 ∑ arus masuk = ∑ arus keluar I2 + I4 = I1 + I3 2.3.3



Hukum Kirchoff II (Kirchoff’s Voltage Law (KVL)) Hukum Kirchoff II menyatakan bahwa jumlah tegangan pada suatu lintasan



tertutup samadengan nol, atau penjumlahan tegangan pada masing-masing komponen penyusunnya yang membentuk satu lintasan tertutup akan bernilai samadengan nol (Ramdhani, 2008). Gambar dari Hukum Kirchoff II terlihat pada gambar 2.15. Secara matematis dapat dinyatakan dalam persamaan 2.9, sebagai berikut: ∑ V= 0



(2.9)



Gambar 2.15 Hukum Kirchoff II Berdasarkan gambar di atas, maka diperoleh persamaan sebagai berikut: Lintasan a-b-c-d-a: Vab + Vbc + Vcd + Vda = 0 - V1 + V2 – V3 + 0 = 0 V2 – V1 – V3 = 0 Lintasan a-d-c-b-a: Vad + Vdc + Vcb + Vba = 0 V3 – V2 + V1 + 0 = 0 V3 – V2 + V1 = 0 2.3.4



Hubungan Paralel Jika semua terminal terhubung dengan elemen lain dan akibatnya tegangan



diantaranya akan sama. Gambar rangkaian paralel tersebut disajikan dalam gambar 2.16, sebagai berikut:



Gambar 2.16 Hubungan Paralel Resistor Berdasarkan gambar tersebut, maka diperoleh persamaan sebagai berikut : KCL ∑I=0 I – I1 – I2 – I3 = 0 I = I1 + I 2 + I3 V V V V + + = R ek R1 R2 R3 1 1 1 1 + + = R ek R1 R2 R3 Dimana, V=IRek Sehingga,



I1=



R ek i R1



I2=



R ek i R2



I3=



R ek i (Serway,2009). R3



BAB III METODE PENELITIAN



3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Perancangan, pembuatan, pemograman perangkat dan Pengujian perangkat akan dilaksanakan pada Laboratorium Elektronika dan Laboratorium Instrumentasi Fakultas MIPA Unsyiah. Penelitian akan dilaksanakan selama 6 bulan. 3.2 Jadwal Penelitian Adapun jadwal pelaksanaan penelitian ini dapat dilihat pada tabel 3.1. Tabel 3.1 Jadwal Penelitian No



Jadwal kegiatan



1.



Studi Literatur



2.



Persiapan Alat dan



3.



Bahan Perancangan Alat



4.



Penelitian Pengujian Alat



5.



Analisa Hasil



Bulan



Bulan



Bulan



Bulan



Bulan



Bulan



ke-1



ke-2



ke-3



ke-4



ke-5



ke-6



3.3 Alat dan Bahan Adapun Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.2. Tabel 3.2 Alat dan Bahan No 1.



Alat dan Bahan Kit Board Arduino Uno



Jumlah



Satuan



1 (satu)



2.



Sensor Piezoelektrik



20 (dua puluh)



Unit Buah



3.



Resistor



secukupnya



Unit



4.



LED



Secukupnya



Unit



5.



Kapasitor



secukupnya



Unit



6.



Papan PCB



1 (satu)



Unit



7.



Kabel



secukupnya



Meter



8.



Multimeter Digital



1 (satu)



Unit



9.



LCD



1 (satu)



Unit



10.



Dioda Bridge



secukupnya



Unit



11.



Osiloskop



1 (satu)



Unit



12.



Solder



1 (satu)



Unit



13.



Timah



secukupnya



Meter



14.



Tang Kit



1 (satu)



Unit



15.



Akrilik



secukupnya



Meter



16.



Pegas



secukupnya



Unit



3.4 Prosedur Penelitian 3.4.1 Diagram Alir penelitian Adapun tahap-tahap yang dilakukan dalam pelaksanaan penelitian dapat dilihat pada diagram alir dibawah ini:



Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian 3.4.2 Studi Literatur



Studi literatur dilakukan untuk memperoleh materi yang berkaitan dengan penelitian, dapat berupa buku referensi, jurnal, dan datasheet serta perencanaan rangkaian yang berkaitan dengan sensor piezoelektrik. 3.4.3 Persiapan Alat dan Bahan Adapun persiapan alat dan bahan pada penelitian ini dimulai dengan mempersiapkan perangkat yang diperlukan seperti sensor piezoelektrik, kapasitor, resistor, Arduino Uno, Papan PCB, LED, multimeter dan kabel yang akan digunakan dalam perancangan. 3.4.4 Perancangan Sistem Alat Perancangan sistem dilakukan secara bertahap, yaitu dengan terlebih dahulu melakukan perakitan sensor piezoelektrik yang akan digunakan. Sensor piezoelektrik disusun secara paralel dan dilapisi akrilik sebagai pelindung tahan air. Akrilik direkatkan dengan pegas untuk menghasilkan tekanan yang berulang-ulang. Perancangan alat ini menggunakan beberapa input dan output perangkat yang akan bekerja dengan perintah dari sebuah kontroller yakni Arduino-Uno. Perangkat input berupa Sensor piezoelektrik sebagai pembangkit listrik dan bahasa pemrograman Arduino-Uno. Outputnya berupa LCD display dan beberapa buah LED. Perancangan sensor dengan variasi jumlah sensor dimulai dengan 4, 8, 12, 16, dan 20 buah sensor piezoelektrik untuk melihat pengaruh jumlah sensor terhadap tegangan keluaran. Tegangan yang dihasilkan oleh tekanan piezoelektrik berupa tegangan AC sehingga dibutuhkan dioda bridge untuk mengubah tegangan AC menjadi DC yang akan digunakan sebagai penghasil energi untuk menghidupkan LED. Dioda bridge merupakan dioda yang didalamnya terdapat empat buah dioda yang dihubungkan saling bertemu satu sama lainnya (jembatan penyearah). Kapasitor pada rangkaian berfungsi sebagai penampung tegangan sementara sebelum digunakan pada beban. Saklar pada rangkaian digunakan sebagai penghubung dan pemutus arus listrik. Rangkaian dihubungkan dengan LED agar dapat mendeteksi bahwa ada atau tidaknya arus listrik yang mengalir. Lampu LED juga digunakan untuk mensimulasikan penggunaan pemanfaatan listrik dari piezoelektrik untuk keperluan sehari-hari. Sebagai perangkat untuk menampilkan hasil dari pengukuran akan digunakan LCD 16x2 yang dihubungkan dengan output digital Board Arduino. Sebagai sumber tegangan pada LCD



ini menggunakan tegangan 5V dari Board Arduino. Adapun gambaran rangakaian pembangkit piezoelektrik dapat dilihat pada gambar 3.2 hingga 3.6.



Gambar 3.2 Rangkaian dengan 4 sensor piezoelektrik



Gambar 3.3 Rangkaian dengan 8 sensor piezoelektrik



Gambar 3.4 Rangkaian dengan 12 sensor piezoelektrik



Gambar 3.5 Rangkaian dengan 16 sensor piezoelektrik



Gambar 3.6 Rangkaian dengan 20 sensor piezoelektrik 3.4.5 Pengujian Alat dan Pengambilan Data Pada awalnya dilakukan pengujian alat untuk memastikan bahwa setiap perangkat berfungsi dengan baik dengan menyalanya lampu LED pada perangkat. Langkah selanjutnya untuk menguji alat dengan mengukur tegangan keluaran pada sensor piezoelektrik yang ditampilkan pada LCD. Setelah dilakukan pengujian pada alat, maka selanjutnya dengan Arduino Uno untuk proses pembacaan data dan pengambilan daya yang lebih akurat dan cepat. Untuk ketahanan perangkat sensor piezoelektrik terhadap air, perangkat dilapisi material tahan air berupa akrilik sebagai pelindung sensor untuk diuji menggunakan



sumber gangguan berupa air keran. Data yang diperoleh berupa grafik tegangan yang dihasilkan sensor piezoelektrik dan pengaruh jumlah sensor piezoelektrik pada rangkaian. Untuk dapat menghasilkan data yang akurat dilakukan uji perangkat selama beberapa hari. 3.4.6 Analisa Data Analisa data dilakukan dengan menggunakan microsoft excel untuk pembuatan grafik pengaruh jumlah sensor yang dirangkai terhadap hasil tegangan yang diperoleh dengan berbagai model statistik. 3.5. Anggaran Biaya Penelitian Anggaran biaya penelitian yang dibutuhkan dapat dilihat pada Tabel 3.3. Tabel 3.3. Rincian biaya penelitian No. 1.



Jenis Pengeluaran



Administrasi Fotokopi Pencetakan 2. Bahan dan peralatan Bahan habis pakai Peralatan TOTAL BIAYA



Unit lembar, buah, jilid, rim buah, set



Harga Satuan (Rp) 100.000,00 100.000,00 200.000,00 100.000,00



Harga Total (Rp) 800.000,00 300.000,00 500.000,00 700.000,00 600.000,00 100.000,00 1.500.000,00



DAFTAR PUSTAKA



Abdullah, Mikrajuddin. 2007. Fisika Dasar I. ITB. Bandung. Adi, A. G. 2010. Mekatronika. Graha Ilmu. Yogyakarta. Ahda., Mardiyanto. 2010. Synthesis Of Lead Free Piezoelectric BNT Ceramic By Use Of Solid State Reaction Method, ICMST. Jurnal Sains Materi Indonesia. Vol.3. Ahmad, J. 2007. Elektronika Dasar Ilmu Elektronika. Wordpress. Jakarta. Anjaswati, I. T. 2013. Sensor Getaran/Vibrasi Piezoelektrik. Universitas Airlangga. Jawa Timur. Caffal, C., 1995. Energy Management in Industry. Centre for the Analysis and Dissemination of Demonstrated Energy Technologies (CADDET). Sittard. The Netherlands. Callister, Jr.W.D. 1994. Materials Science and Engineering an Introduction. 3rd Ed., John Wiley and Sons, Inc. New York. Christianto., Paulus, dkk. 2011. Piezo Vibration Sensor. Universitas Kristen Maranatha. Bandung. Ebrahimi, F. 2013. Piezoelectric Materials and Devices-Practice And Aplications. Rijeka. Croatia. Ginting, H. 2006. Jurnal Teknonologi Proses Simulasi Peranti Model Sel Surya Dioda n+(x)/p. Universitas Sumatera Utara (USU) Press. Medan. Kalantar-zadeh, K. 2013. Sensors. Springers Science. Kim, S. 2002. Low Power Energi Harvesting With Peizoelektrik Generator. University of Pittsburgh. Pennsylvania. Maulana, R. 2016. Pemanfaatan Sensor Piezoelektrik sebagai Penghasil Sumber Energi pada Sepatu. Skripsi. Universitas Syah Kuala. Banda Aceh. Maulin, S. 2008. Sistem Pengendali Pintu dan Lampu Menggunakan Remote Control Berbasis AT89C51. Skripsi. Universitas Sumatera Utara. Medan. Raharjo, M.A., Riadi, S. 2016. Audit Konsumsi Energi untuk Mengetahui Peluang Penghematan Energi pada Gedung PT. Indonesia Caps and Closures. Jurnal PASTI Vol.10 No.3.



Rahayu, S., dkk. 2013. Piezoelectric Materials Synthesis BNT-BT With the addition of Ta2O5 Method Using Solid State Reaction. Universitas Andalas. Padang. Ramdhani, M. 2008. Rangkaian Listrik. Erlangga. Jakarta. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fisika Untuk Sains dan Teknik. Salemba Teknik. Jakarta. Setiawan, A. 2010. Mikrokontroler ATMEGA 8535 BASCOM-AVR. Andi Offset. Yogyakarta. Shaputra, C., Rasyid, R. 2019. Rancang Bangun Pembangkit Listrik Tenaga Ombak Berbasis Piezoelektrik dengan Modul Charging TP5100 pada Bangunan Groin Pemecah Ombak Pantai Padang. Jurnal Fisika Universitas Andalas. Vol.8. No.4. Simanjuntak, M. 2012. Rancang Bangun Teknologi Pemurnian Air menggunakan Arduino. Universitas Sumatera Utara. Medan. Tooley, M. 2002. Rangkaian Elektronik Prinsip dan Aplikasi. Erlangga. Jakarta. Triwahyuni, D. 2010. Sintesis dan Karakterisasi Bahan Piezoelektrik. Bi0,5Na0,5TiO3 (BNT) dengan Metoda Molten Salt. Universitas Andalas. Padang. Yang, J. 2005. An Introduction To The Theory of Piezoelectricity. Springer Science +Busines Media Inc. Boston. Young, H. D., Freedman, R. A. 2003. Fisika Universitas. Erlangga. Jakarta Zaki. 2005. Cara Mudah Belajar Merangkai Elektronika Dasar. Absolut. Yogyakarta.