4

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas mengenai teori – teori yang mendasari perancangan

dan peralisasian pemanfaatkan modul termoelektrik generator untuk mengisi baterai

ponsel. Teori – teori yang digunakan untuk skripsi ini antara lain : efek termoelektrik,

termoelektrik generator, dc-dc step up converter.

2.1. Efek Termoelektrik

Efek termoelektrik adalah proses perubahan energi panas (perubahan

temperatur) menjadi energi listrik atau sebaliknya dari energi listrik menjadi perbedaan

temperatur. Ada tiga efek utama dalam efek termoelektrik yaitu Seebeck, Peltier dan

Thomson. Efek Seebeck mengubah perbedaan temperatur menjadi tegangan atau

kekuatan listrik (EMF). Perubahan EMF sehubungan dengan perubahan temperatur

disebut dengan koefisien Seebeck. Efek Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck

yang memberikan perbedaan temperatur dengan memberikan EMF. Untuk efek

Thomson berkaitan dengan perbedaan suhu dan EMF dalam suatu pengantar

homogen[2].

2.1.1. Efek Seebeck

Efek Seebeck adalah konversi langsung dari perbedaan temperatur menjadi

energi listrik. Ditemukan pertama kali tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas

Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian tertutup

dan di antara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika pada

persambungan logam dipanaskan, jarum kompas bergerak. Hal ini karena logam yang

berbeda menanggapi perbedaan temperatur, yang menimbulkan loop arus dan medan

magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Seebeck tidak

menyadari ada arus yang terlibat, sehingga dia menyebut fenomena dengan efek

thermomagnetic. Tetapi fisikawan Denmark, Hans Christian Ørsted memperbaiki

kesalahan itu dan menciptakan istilah untuk mengganti efek thermomagnetic yang

disebut thermoelectricity.

5

Gambar 2.1. Diagram untai seebeck A dan B adalah logam yang berbeda

Jika ada dua buah material logam yang tersambung berada pada lingkungan

dengan suhu yang berbeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak

listrik. Pada Gambar 2.1 ditunjukan junction penghubung dari kabel logam dengan

bahan material yang berbeda, yaitu material A dan B dan dikondisikan dalam

temperatur yang berbeda T1 dan T2. Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari :

Δ𝑉 = ∫ SAB 𝑑𝑇 . . . . . . . . (2.1)𝑇2

𝑇1

Dimana : ΔV = Tegangan yang dihasilkan (volt)

SAB = Koefisien Seebeck (volt/K)

T1 dan T2 = Temperatur dari dua persambungan (K)

Koefisien Seebeck merupakan besaran nonliniar sebagai fungsi dari temperatur

dan bergantung pada bahan dan stuktur molekul material. Tanda positif dan negatif dari

koefisien Seebeck dipengaruhi olah muatan pembawanya. Jika koefisien Seebeck secara

efektif konstan untuk jangkauan temperatur yang diukur, maka koefisien Seebeck

dituliskan menjadi :

S = Δ𝑉

ΔT . . . . . . . . (2.2)

Dimana : ΔV = Tegangan yang dihasilkan (volt)

ΔT = Perbedaan temperature (K)

S = Koefisien Seebeck (volt/K)

6

Tegangan yang dihasilkan ini sebanding dengan perbedaan temperatur diantara

dua junction. Semakin besar perbedaan temperatur, semakin besar tegangan diantara

junction. Timbul perbedaan kerapatan pembawa muatan akan menimbulkan difusi

elektron dari daerah rapatan muatan yang tinggi ke daerah rapatan muatan yang rendah

dan temperatur tinggi ke temperatur rendah. Hal ini disebabkan karena kepadatan

elektron dari material logam yang berbeda. Inilah yang menyebabkan arus mengalir

berlawanan dan menimbulkan tegangan (EMF) yang disebut dengan fenomena

thermoelectric. Tetapi jika junction pada material ini dialiri dengan temperatur yang

sama, maka difusi elektron pada junction juga sama. Karena arus berlawanan dan

bernilai sama maka jumlah arusnya adalah nol.

Gambar 2.2. Skema Efek Seebeck

2.1.2. Efek Peltier

Efek Peltier adalah kebalikan dari efek Seebeck dimana arus listrik akan

menghasilkan perbedaan temperatur (panas dan dingin) pada junction dari dua material

logam yang berbeda. Ditemukan pada tahun 1834 oleh fisikawan Perancis, Jean Charles

Peltier Athanase berdasarkan inspirasi dari penemuan efek Seebeck. Ia mengalirkan

arus listrik melalui rangkaian dua logam yang tidak sejenis dan mendapati penurunan

temperatur pada salah satu junction sementara pada ujung yang lain mengalami

pengingkatan temperatur.

7

Gambar 2.3. Skema Efek Peltier

Ketika arus listrik mengalir melalui junction dari dua material logam yang

berbeda A dan B, panas akan dipindahkan dari sisi dingin dan diserap pada sisi panas.

Panas peltier (Ǭ) yang diserap atau perpindahan panas pada junction setiap waktu

adalah :

Ǭ = ∏AB 𝐼. . . . . . . . (2.3)

Ǭ = (∏B − ∏A)𝐼. . . . . . . . (2.4)

Dimana : ∏ = Koefisien Peltier (W/A)

I = Arus Listrik (ampere)

Ǭ = Perpindahan Panas (watt)

2.1.3. Efek Thomson

Selanjutnya Wiliam Thomson fisikawan asal Inggris Raya menyelidiki lebih

lanjut termoelektrisitas dan menemukan efek ketiga dari termoelektrik, efek Thomson.

Sebuah konduktor (kecuali superkonduktor) yang dialiri arus listrik dan perbedaan

temperatur nya terjaga dapat melepaskan atau menyerap panas di sepanjang konduktor

tersebut. Atau bisa dikatakan bahwa terdapat penyerapan atau pelepasan panas bolak-

balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan arus

listrik secara simultan.

Dalam material logam seperti seng dan tembaga, jika dia lebih bersuhu panas

pada pontensial yang lebih tinggi dan bersuhu dingin pada ujung potensial yang lebih

rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin, arus bergerak dari

8

potensial rendah ke potensial tinggi, sehingga ada emisi panas. Hal ini disebut efek

Thomson positif. Sedangkan efek Thomson negatif dalam logam seperti kobalt, nikel

dan besi yang memiliki ujung dingin pada potensial yang lebih tinggi dan ujung panas

pada potensial yang lebih rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin,

arus bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Koefisien Thomson ditunjukan

pada persamaan berikut :

𝜇 = Ǭ

𝐼𝛥𝑇. . . . . . . . (2.5)

Dimana : μ = Koefisien Thomson (V/K)

ΔT = Beda temperatur (K)

I = Arus Listrik (ampere)

Ǭ = Panas Peltier (watt)

Dengan Ǭ adalah jumlah perpindahan panas yang diserap oleh konduktor ketika

arus listrik mengalir ke arah suhu yang lebih tinggi. Hubungan koefisien Thomson

dengan Seebeck sebagai berikut :

𝜇 = 𝑇 𝑑𝑆

𝑑𝑇. . . . . . . . (2.6)

Dimana : μ = Koefisien Thomson (V/K)

S = Koefisien Seebeck (volt/K)

T = Temperatur mutlak (K)

Jadi termoelektrik intinya ada dua hal yaitu yang pertama adanya dua material

logam dengan properti yang berbeda, satu dengan pembawa muatan negatif dan logam

lain pembawa muatan positif. Dan yang kedua adanya perbedaan temperatur di antara

kedua junction material logam yang tidak sejenis, sehingga dapat terjadi aliran listrik.

2.2. Elemen Termoelektrik

Dari ketiga prinsip efek termoelektrik dapat disimpulkan apabila batang material

logam dipanaskan dan didinginkan pada 2 kutub batang material logam. Elektron pada

sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi

dibandingkan dengan sisi dingin logam. Maka elektron akan mengalami difusi dari

rapatan muatan tinggi kerapatan muatan rendah. Dari sisi panas ke sisi dingin dan

menyebabkan timbulnya medan listrik[3].

9

Gambar 2.4 Pergerakan ion pada logam

Pergerakan Ion pada logam yang diakibatkan dari perbedaan temperatur akan

menimbulkan tegangan. Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe-p

(material yang kekurangan elektron) dan tipe n (material yang kelebihan elektron)

dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik yang tertutup dengan diberi beban.

Perbedaan temperatur antar junction dari material semikonduktor itu akan menyebabkan

perpindahkan elektron atau terjadi difusi dari sisi panas menuju sisi dingin.

Heat flow yang terjadi pada sisi panas terdiri dari tiga komponen. Heat flow

yang melalui material termoelektrik karena sifat konduktivitas dari material logam.

Panas yang terserap pada sisi panas dari termoelektrik karena efek peltier dan panas

yang disebabkan oleh daya yang dihasilkan dari termoelektrik.

2.2.1. Figure of Merit

Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit atau sering

disebut dengan ZT. Suatu material termoelektrik idealnya memiliki konduktivitas listrik

tinggi dan kondutivitas panas yang rendah. Tetapi pada kenyataannya sangat sulit

mendapatkan material logam seperti itu, karena pada umumnya jika konduktivitas listrik

suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi. Figure of Merit

didefinisikan sebagai berikut.

10

𝑍 = 𝑆2𝜎

𝜆. . . . . . . . (2.7)

Dimana : S = Koefisien Seebeck (volt/K)

σ = Konduktivitas listrik bahan (A/Vm)

λ = Konduktivitas panas bahan (W/mK)

Jadi bahan termoelektrik yang baik harus mempunyai karakteristik,

konduktivitas listrik yang tinggi untuk meminimalkan kenaikan temperatur dari

hambatan ke arus listrik yang mengalir melaluinya. Koefisien Seebeck yang besar untuk

perubahan maksimal dari panas menjadi daya listrik atau sebaliknya dari daya listrik

menjadi perbedaan temperatur. Konduktivitas panas yang rendah untuk mencegah

konduksi panas melalui bahan material logam. Ketiga sifat inilah yang menjadi dasar

parameter untuk menentukan bagus tidaknya termoelektrik digabungan menjadi satu

parameter yaitu figure of merit. Karena Z mempunyai satuan per derajat temperatur,

maka figure of merit didefinisikan sebagai ZT, dimana T adalah temperatur kerja rata-

rata. Parameter figure of merit ini penting untuk menentukan besarnya perubahan daya

atau koefisien pendinginan maksimal dari kinerja termoelektrik.

Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi2Te3 Bismuth Telluride, PbTe

Lead Telluride, SiGe Silicon Germanium. Ketiga bahan ini bekerja dalam rentang

temperatur yang berbeda. Bahan yang sering digunakan untuk aplikasi teg atau tec

menggunakan Bi2Te3 yang mempunyai rentang 180 K sampai 450 K [4]. Sedangkan

bahan PbTe dan SiGe bekerja pada temperatur tinggi yang biasa digunakan untuk

pembangkit listrik pesawat luar angkasa. Semakin tinggi nilai figure of merit, maka

semakin tinggi nilai efisiensi dari termoelektrik. Gambar berikut adalah grafik jenis-

jenis bahan semikonduktor bedasarkan figure of merit terhadap satuan temperatur K.

11

Gambar 2.5. Nilai Figure of Merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-beda

2.2.2. Efisiensi, Perbedaan Temperatur dan Figure of Merit

Efisiensi dari termoelektrik sangat bergantung pada figure of merit dan tentu saja

bergantng pada perbedaan temperatur kerja. Efisiensi maksimal dari termoelektrik

dalam pembangkit listrik adalah.

𝜂𝑚𝑎𝑥 = 𝑇𝐻 − 𝑇𝐶

𝑇𝐻[

√1 + 𝑍𝑇∗ − 1

√1 + 𝑍𝑇∗ +𝑇𝐶

𝑇𝐻

] . . . . . . . . (2.8)

Dimana : T* = Temperatur rata-rata Th dan Tc

Th dan Tc = Temperatur sisi Panas dan Dingin

Z = Nilai figure of merit

12

Gambar 2.6. Efisiensi terhadap beda temperature dalam pengaruh ZT

Perangkat termoelektrik dapat menjadi pembangkit listrik dan menghasilkan

energi listrik ketiga terjadi perbedaan temperatur pada material di termoelektrik. Saat ini

efisiensi termoelektrik dalam pembangkit listrik sekitar 5% dan ZT < 1.

2.3. Modul Termoelektrik

Modul termoelektrik adalah alat yang dapat mengubah energi panas dari

perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Modul ini memanfaatkan

tiga efek termoelektrik yaitu seebeck, peltier dan Thomson. Konstruksi modul

termoelektrik terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe-pe dan tipe-n.

2.3.1. TEG

Termoelektrik generator atau TEG menggunakan prinsip efek seebeck. Jika ada

dua buah material logam yang berbeda tersambung pada lingkungan dengan temperatur

yang berbeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak listrik.

Termoelektrik generator secara langsung mengubah energi panas menjadi energi listrik.

13

Gambar 2.7. Termoelektrik generator

Dengan perbedaan temperatur panas antara sisi panas dan sisi dingin pada

termoelektrik generator, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga terjadi beda

tegangan. Secara umum termoelektrik generator mengunakan bahan BiTe Bismuth

Tellurid, dengan rentang temperature kerja hingga 350˚C[3]. Besarnya tegangan yang

dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur[6].

2.3.2. TEC

Termoelektrik cooler atau TEC menggunakan prinsip yang berkebalikan dari

TEG yaitu menggunakan efek peltier. Jika ada arus listrik yang mengalir melewati

rangkaian dari dua buah konduktor dengan material yang berbeda, akan terjadi kenaikan

dan penurunan temperatur pada junction yang bergantung pada arah aliran arus listrik.

Pembuangan panas dari sisi panas akan menurunkan temperatur pada sisi dingin dengan

cepat, besarnya penurunan temperatur begantung pada arus yang diberikan[6].

14

Gambar 2.8. Termoelektrik cooler

Modul TEC biasanya digunakan untuk sistem pendingin, seperti dispenser.

Ketika ada aliran arus listrik, elektron bergerak dari bahan tipe-p ke bahan tipe-n

menyerap energi panas pada junction sisi dingin. Elektron-elektron membuang

kelebihan energi pada junction sisi panas.

2.3.3. Efisiensi modul termoelektrik

Dalam penggunaan aplikasi pembangkit listrik terdapat jumlah maksimum

energi yang dapat digunakan. Jumlah ini adalah efisiensi karnot maksimum. Dalam

termoelektrik perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin, maka

semakin besar daya yang dihasilkan. Efisiensi karnot menggambarkan batas teoritis,

jika kita mempunyai mesin kalor yang paling ideal artinya mesin memiliki efisien

karnot 100%[5]. Untuk efisiensi termal berbeda, karena selalu lebih kecil dari efisiensi

karnot ideal. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa tidak semua kalor yang

diberikan dalam suatu mesin kalor dapat digunakan untuk melakukan kerja, efisiensi

karnot menetapkan nilai batas pada fraksi kalor yang dapat digunakan.

Sebagai perbandingan, pembangkit daya termoelektrik memiliki efisiensi karnot

paling rendah yaitu 5-8%. Sementara pembangkit daya lain seperti mesin diesel

memiliki efisiensi karnot sebesar 10-15%, turbin gas memiliki efisiensi karnot sebesar

30%. Power Chip diproyeksikan mencapai efisiensi karnot sekitar 70-80%, efisiensi ini

adalah yang paling besar dibandingkan dengan pembangkit daya yang lain.

15

Gambar 2.9. Perbandingan efisiensi peltier dengan pembangkit daya yang lain

2.4. Dc-dc Step Up Converter

Pada skripsi ini menggunakan dc-dc step up converter untuk mengkonversi daya

listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, tegangan

atau keduanya. Untuk membuat tegangan keluaran lebih besar dari tegangan masukan

dengan menggunakan rangkaian dc-dc step up converter. Dc-dc step up converter atau

penaik tegangan akan membuat masukan dari termoelektrik generator menjadi lebih

besar dan stabil. Rangkaian ini menggunakan IC MAX 756.

2.4.1. Integrated Circuit (IC) MAX756

IC MAX 756 adalah salah satu IC dc-dc step up converter yang mempunyai

karakteristik dengan input tegangan minimum 0,7 volt, dengan keluaran maksium

berkisar 5 sampai 5,5 volt. Keluaran dc-dc step up converter bisa diatur pada 3,3 volt

atau 5 volt. IC MAX 756 mempunyai jumlah kaki sebanyak 8. Adapun konfigurasi dan

deskripsi pin nya sebagai berikut :

Gambar 2.10. Konfigurasi pin IC MAX 756

16

Tabel 2.1. Deskripsi pin IC MAX 756

Nomor Pin Nama Pin Fungsi

1 SHDN¯¯¯¯¯

Shutdown input disables

SMPS when low

2 3/5̄

Memilih tegangan

keluaran; 5 V ketika low,

3,3 V ketika high

3 REF Tegangan referensi

4 LBO Low Battery output

5 LBI Low Battery input

6 OUT Tegangan keluaran

7 GND Ground

8 LX Arus masukan

2.5. Konektor USB

USB atau Universal Serial Bus merupakan teknologi yang memungkinkan kita

untuk menghubungkan alat eksternal, bisa juga digunakan untuk mengisi baterai ponsel

dengan masukan 5 volt DC.

Gambar 2.11. Konfigurasi USB female

Tabel 2.2. Deskripsi pin USB female

Nomor Pin Nama Pin Fungsi

1 GND Ground

2 D+ Data +

3 D- Data -

4 VCC Input tegangan