MATERIAL TEKNIK 2 SKS Ruang B2.2 Jam 8.40-11.10 Dedi Nurcipto, MT [email protected] Pita Energi Perbedaan jenis bahan berdasarkan pita energinya : 1.Isolator 2. Semikonduktor 3. Konduktor Pita energi adalah kumpulan garis pada tingkat energi yangsama akan saling berimpit dan membentuk pita Pada orbit bagian luar terdapat elktron yang sangat banyak dengan tingkattingkat energi yang berimpit satu sama lain SEMIKONDUKTOR Disebut semi atau setengah konduktor, karena bahan ini memang bukan konduktor murni. Bahan - bahan logam seperti tembaga, besi, timah disebut sebagai konduktor yang baik sebab logam memiliki susunan atom yang sedemikian rupa, sehingga elektronnya dapat bergerak bebas. Susunan Atom Semikonduktor Bahan semikonduktor yang banyak dikenal contohnya adalah Silicon (Si), Germanium (Ge) dan Galium Arsenida (GaAs). Germanium dahulu adalah bahan satu-satunya yang dikenal untuk membuat komponen semikonduktor. Namun belakangan, silikon menjadi popular setelah ditemukan cara mengekstrak bahan ini dari alam. Silikon merupakan bahan terbanyak ke dua yang ada dibumi setelah oksigen (O2). DOPING Pemberian doping dimaksudkan untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan akan dapat mengahantarkan listrik Tipe-N Bahan silikon diberi doping phosphorus atau arsenic yang pentavalen yaitu bahan kristal dengan inti atom memiliki 5 elektron valensi. Dengan doping, Silikon yang tidak lagi murni ini (impurity semiconductor) akan memiliki kelebihan elektron. Kelebihan elektron membentuk semikonduktor tipe-n. Semikonduktor tipe-n disebut juga donor yang siap melepaskan elektron. doping atom pentavalen Tipe-P Kalau silikon diberi doping Boron, Gallium atau Indium, maka akan didapat semikonduktor tipe-p. Untuk mendapatkan silikon tipe-p, bahan dopingnya adalah bahan trivalen yaitu unsur dengan ion yang memiliki 3 elektron pada pita valensi. Karena ion silikon memiliki 4 elektron, dengan demikian ada ikatan kovalen yang lubang (hole). Hole ini digambarkan sebagai akseptor yang siap menerima elektron. Dengan demikian, kekurangan elektron menyebabkan semikonduktor ini menjadi tipe-p. doping atom trivalen Arus Hole Bila ikatan kovalen pada kristal silikon terputus, maka akan terjadi kekosongan atau lubang (Hole) yang mempunyai kelebihan muatan positif. Hole juga dapat bergerak dan menghasilkan arus, dengan kata lain didalam semikonduktor ada dua macam arus yang berbeda, yaitu arus pita konduksi dan arus hole. PN junction P + + + + - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + - - - - - + Tipe P banyak mengandunu unsur pembawa arus bermuatan positif (hole) - + - + + + + + N + - + + - - - + + + Tipe N banyak mengandunu unsur pembawa arus bermuatan negatif (elektron) PN junction + P + -+ + - + + + -+ + - + -+ + - + + -+ + - -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + + + + + + + + Perbedaan kosentrasi timbul difusi pada persambungan Difusi Hole Difusi elektron Arus Maju Arus balik Arus difusi adalah suatu penghantar arus I di dalam semikonduktor karena tidak meratanya konsentrasi hole p partikel atau terjadi gradient konsentrasi N PN junction P + + + + - + + + + - + + + + - - Rekombinasi elektron menjadi ion negatif + + + + ++++- ++++- ++- N ++- Rekombinasi hole menjadi ion positif Daerah kosong /defleksi regional PN junction P + + + - - - + + + - - - + + + - - - + + + - - - - - - - + + + + + + + + + + - - - + + - - - + + - - - - + + Kehadiran ion-ion akan ditolak Yang disebut barier Terbentuknya daerah barien akan menghentikan arus difusi Defleksi terdapat banyak ion yang berhadapan terdapat beda potensial darisi P ke N. (germanium 0.3 & silikon 0.7) Besarnya tingginya barier akan tetap bila tidak ada tegangan dari luar. N PRATEGANGAN MAJU (FORWARD BIAS) elektron valensi p + + + - - - + + + + - + - + - + + + - - - elektron bebas - - - - + + - + - - + + + - - - - + + + + + + n + - - - + + + Bias Maju mengakibatkan tinggi barier / potensial barier mengecil dan difusi arus dari P ke N bertambah besar melebihi revers bias. Hole dari P ke N merupakan mayoritas sedangkan arus elektron dari N ke P merupakan minoritas. PRATEGANGAN BALIK (REVERSE BIAS) hole p + + - - + + + - + - + + - - elektron - - + - - - - + - - + + + + + + - + + - - + + + + - - + n + Bias revers mengakibatkan tinggi barier / potensial barier Membesar dan difusi arus hole minoritas pada N ke P . Sedangkan hole mayoritas pada P menuju negatif. Dan eletron akan menuju positif yang mengakibatkan difusi hole P ke N terhenti. DIODA p ANODA n KATODA Karakteristik dioda : R I BREAKDOWN FORWARD REGION LEAKAGE CURRENT VS V VD KNEE REVERSE REGION BAHAN ISOLATOR Klasifikasi Bahan Isolator : 1. Keadaan padat (Solid) Mika, Porselain, absestos, Slate, marble, Rubber, PVC. 2. Keadaan cair Varnish, Tranfsformer oil, cable oil, silikon fluide, viscous vaseline,syntetic liquide, fluoroorganic fluida dll 3. Keadaan gas / gaseous Udara, hydrogen inertgas, nitrogen, halogen dll Pemakaian isolator dibidang elektronika dan Listrik a. Gasecus Insulating Matrials (IM) b. Liquide IM c. Fiberous IM d. Impregneted IM e. Flastic IM f. Rubber IM g. Mineral IM h. Cramic IM i. Glass IM j. Non- Resinous IM k. Misclellaneous IM a. Gaseous Insulating Matrials (IM) - Gas Untuk Bahan Isolator terdiri dari Air, Nitrogen, Hydrogen dll - udara isolaor yang penting dan berada diatara konduktor tegangan tinggi. - Freon banyak di gunakan sebab tidak mudah ter bakar atau non-explodive. Gas dalam klasifikasinya menjadi 4 bahan dielektrik : a. Gas sederhana (Nitrogen,Hydrogen, Helium). b. Hydrocarbon gasses (Carbondioxide, Sufur dioxide). c. Oxide Gasses (Methane, Ethane, Propane dll) d. Electronegative gases (freon, sulfor heza-fluoride) Air / Udara - Dielecric udara semakin tinggi tekanan udara maka seakin naik dielectric constant - Sigunakan sebagai pengganti liquie dan solide Sifat-sifat dielectric udara dibedakan menjadi 4 yaitu: - Dielektric loss - Reliable at low voltage - Electric Strength 3 to 5 kilo volt / mm - Permittivity 1.0006 • Nitrogen Penggunaan bahan nitrogen berhubungan dengan proses kimia untuk melindungi oxidasi dan reduksi seperti transiometer yang diisi oli / minyak. • Inert Gases Banyak digunakan pada berbagai elektronika tube. Terdiri dari Neon, Argon, Mercury Vapours, Sodium Vapours. • Hologen Jarang digunakan sebagai dielectric , pada tekanan tinggi bisa terjadi electric strength dan permittivitynya meninggi. Memiliki electric strength yang lebih tinggi dari pada udara • Sulfur Hexaflouride Digunakan sebagai dielectric yang baik dengan kelebihan - Non flammable (tidak mudah terbakar) - Dielecric stength yang tinggi. Digunakan dalam pembuatan transformator dan switch listrik. Memiliki mechanical stability pada tekanan normal dengan suhu sampai 100 derajat C. b. Liquide Insulating Matrials (IM) - Banyak digunakan dalam pembuatan transformer, elektrik switch circuit breaker, Rheo stats. Sebagi insulator untuk keperluan - Meninggkatkan sifat sifat insolator dari solid material lain dengan mengurangi udara dan gas. - Sebagai penyerap panas yang baik - Sebagai alat pendingin pada kumparan dan rangkaian magnetik yang mengeluarkan panas. - Memadamkan percikan api seperti pada CB Ciri utama isolator bahan cair - Oxidasi Memiliki kapasitas yang besar untuk menyerap air berpengaruh terhadap electric strength seperti pada CD, maka perlu di ganti secara rutin. - Moisture Uap air menurunkan dielectric strength Tetapi menaikan dielektric loss dan oxidasi. - Temperatur Menaikan oxidasi dan lebih jauh berpengaruh pada sifat-sifat insulator dari insulator liquid. Insulating liquid dibedakan menjadi 3 group : - Mineral Insulating oil Tranformer oil, cable oil dan capasitor oil. Diperoleh dari cruide petroleum dengan cara destilasi. Sifat nya dipengaruhi oleh oxidasi, moisture, imputities dan panas - Syntetic insulating oil Askarels, areclors Sangat tahan terhadap oxidasi dan api, banyak dipakai pada tranformer - Miscellaneous insulating oil Vaseline, flournated liquids Dihasilkan dari bubur biji bijian. C Fiberous IM Diambil dari hewan ataupun cellulose Daya mekanik sangat kuat Tipe utama dari fibrous IM - Paper Terbuat dari kayu proses pemnuatan disebut sulfate proses Digunakan pada generator, transmisi enaga lstrik Sifatnaya tahan terhadap temperatur tinggi, mechanical strength tinggi, dielectric loss rendah Kelemahan Hygroscopicity, Reaction with oxygen dan thermal instability - Wood Digunakan pada tegangan rendah, murah dan mudah didapat. Sangat hygroscopic dan menyerap moisture dan rendah sifat mekaniknya - Cotton, jute, silk Daya mekanik tinggi Jute hampir sama dengan cotton dan murah Silk sangat tipis dan sangat kuat namun mahal - Asbeston Bahan mineral dari struktur fibrous Temperatur bisa mencapai 400 derajat C Terdapat 2 tipe • Carysotile asbeston (dielectric loss, rendah dielectric stength dan hygroscopic, diguakan pada tegangan kurang dari 33kv) • Amphibole asbeston (tinggi hygroscopic) - Fiber glass Dapat menahan sampai dengan temperatur 130 derajat c Impregnated Fibrouse Materials Impregnetade paper insulator (kertas isolator yang telah diresapi) Kelebihan • Mecanical dan chemical stability sangat baik • Menahan temeperatur tinggi • Uniflammable. Bahan ini digunakan pada semua jenis kabel underground power cable, submarine cable, mining cable dan transformer dan kapaistor Bahan Sintetis Bahan sintetis adalah bahan yang dibentuk dari perpaduan atau kombinas ibahan-bahan organik dan bahan-bahan sintetis lainnya untuk meningkatkan kualitas bahan sumbernya Perbedaan Bahan Organik dan Sintetis Bahan Organik: Bahan Sintetis: • Buatan • Tersedia di alam • Berat molekul rendah • Berat molekul tinggi (polimer) (monomer) • Jumlah atom lebih • Jumlah atom sedikit banyak dan dan ikatannya ikatannya lebih sederhana panjang • Karet, kayu, keramik, • plastik gelas Polimer Polimer disebut juga makromolekul merupakan molekul besar yang dibentuk dengan pengulangan molekul sederhana yang disebut monomer. Polimer berasal dari dua kata : poly(banyak) dan meros (bagianbagian) Bahan Isolator Bahan-bahan yang biasa digunakan dalam pembuatan isolator 1. poliester 2. resin 3. porselen 4.micave poliester • Dibentuk dari poliester poliglass yang diperkuat dengan fiberglass • tidak mudah pecah • mempunyai karakteristrik listrik dan mekanik yang tinggi • dapat digunakan pada temperatur ruang yang tinggi dan didekat bahan-bahan korosif resin • dibentuk dari polimeric epoxyresin atau cycloalphatic resin dapat juga diperkuat dengan fiber glass atauf iber carbon • Mempunyai ketahanan mekanik dan ketahanan terhadap bahan kimia yang baik • Harga relatif lebih murah porselin • Porselin terbuat dari tanah liat china (China Clay) yang terdapat di alam dalam bentuk aluminium silikat yang dicampur dengan kaolinfealspar dan Quarts (kwarsa). • Kemudian campuran ini dipanaskan dalam tungku yang suhunya dapat diatur, dibakar sampai keras, halus mengkilat dan bebas dari lubang lubang • Untuk pembuatan isolator porselin diperlukan suhu berkisar antara 1300 C– 150 C dalam waktu 20–70 jam Micaver (mika) • dibentuk dari bahan-bahan mineral yang tahan terhadap panas • Mempunyaikarakteristriklistrik maju dan mundur yang aman • dapat beroperasi hingga temperatur 350 C sampai dengan 400C Jenis Isolator Isolator untuk saluran transmisi diklasifikasikan menurut penggunaan dan konstruksinya menjadi : 1. Isolator gantung (suspension) 2. Isolator pasak (pin) 3. Isolator batang panjang (long-rod) 4. Isolator pos-saluran (line post) Isolator gantung (suspension) Gandengan isolator gantung pada umumnya dipakai pada saluran transmisi tegangan tinggi. Ada dua jenis isolator gantung, yaitu - jenis clevis - jenis ball-and-socket. Isolator pasak (pin) Isolator pasak adalah isolator yang memiliki pasak baja yang disekrup pada bagian bawahnya. Digunakan untuk keperluan sendiri-sendiri, karena kekuatan mekanisnya rendah sehingga tidak dibuat dalam ukuran-ukuran yang besar. Isolator batang panjang (long-rod) Isolator batang panjang mempunyai sedikit bagian logam sehingga tidak mudah menjadi rusak. Bentuk rusuknya yang sederhana menyebabkan isolator batang panjang mudah tercuci oleh hujan, sehingga tepat untuk penggunaan pada tempat tempat yang banyak dikotori oleh garam atau debu. Isolator pos saluran Isolator pos saluran terbuat dari porselin dengan pasak baja yang dipasang pada bagian bawah isolator. Isolator jenis ini terletak pada bagian ujung saluran. Karakteristik listrik isolator dibagi menjadi : 1. Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering 2. Tegangan lompatan api frekuensi rendah basah 3. Tegangan lompatan api impuls Karakteristik Listrik Isolator 1. Tegangan lompatan api frekuensi rendah kering Tegangan lompatan api (flashover voltage) frekuensi rendah kering adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan diterapkan diantara kedua elektroda isolator yang bersih dan kering permukaannya. Tegangan ini adalah nilai dasar dari karakteristik sebuah isolator Karakteristik Listrik Isolator 2. Tegangan lompatan api frekuensi rendah basah Tegangan lompatan api frekuensi rendah basah adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan diterapkan diantara kedua elektroda isolator yang basah karena hujan atau dibasahi untuk menirukan keadaan hujan Karakteristik Listrik Isolator 3. Tegangan lompatan api impuls Tegangan lompatan api impuls adalah tegangan lompatan api yang terjadi bila tegangan impuls dengan gelombang standar diterapkan. Karakteristik impuls terbagi atas polaritas positif dan negatif. Karakteristik Listrik Isolator Material Konduktor Penghantar ialah suatu benda yang berbentuk logam ataupun non logam yang dapat mengalirkan arus listrik dari satu titik ke titik lain. ke titik lain. Penghantar dapat berupa kabel (penghantar dengan selubung isolasi) atau kawat (penghantar tanpa isolasi) Jenis Bahan Konduktor Bahan-bahan yang digunakan sebagai konduktor harus memenuhi persyaratan berikut : 1. Konduktifitasnya cukup baik 2. Koefisien muai panjangnya kecil 3. Modulus kenyalnya (modulus elastisitas) cukup besar Jenis Bahan Konduktor Bahan-bahan yang biasa digunakan sebagai konduktor : 1. Logam biasa, seperti : tembaga, alumunium dan besi alumunium dan besi 2. Logam campuran (alloy) yaitu logam dari tembaga atau alumunium yang dicampur dengan jumlah tertentu dari logam jenis lain untuk meningkatkan kekuatan mekanisnya 3. Logam paduan (composite), yaitu dua atau lebih jenis logam yang dipadukan atau lebih jenis logam yang dipadukan dengan cara kompresi, peleburan (melting) atau pengelasan (welding) Klasifikasi Konduktor Klasifikasi konduktor menurut bahannya : 1. Kawat logam biasa, contoh : BCC (bare copper conductor) dan AAC (all alumunium conductor) 2. Kawat logam campuran(alloy), contoh : AAAC (all alumunium alloy conductor) 3. Kawat logam paduan(composite),contoh : kawat baja berlapis tembaga (copper clad steel) 4. Kawat lilit campuran(alloy), yaitu kawat yang lilitannya terdiri dari dua jenis logam atau lebih. Contoh : ACSR (alumunium atau lebih. Contoh : ACSR (alumunium conductor steel reinforced) Klasifikasi Konduktor Klasifikasi konduktor menurut konstruksinya: 1. Kawat padat (solid wire)berpenampang bulat 2. Kawat berlilit (stranded wire) terdiri dari 7 sampai 61 kawat padat yang dililit menjadi satu 3. Kawat berongga (hollow conductor) adalah kawat berongga yang dibuat untuk mendapatkan diameter yang besar Klasifikasi konduktor menurut isolasinya 1. Konduktor telanjang 2. Konduktor berisolasi, contoh : kabel twisted dan kabel NYY Ada dua jenis karakteristik konduktor, yaitu : 1. Kekuatan mekanik, contoh : kekuatan Tarik 2. Kekuatan listrik, contoh : kekuatan arus Resistifitas Listrik Resistifitas listrik adalah kemampuan suatu bahan dalam menahan arus listrik. Resistifitas listrik dinyatakan sebagai : Ω R = tahanan dalam bahan (Ω) ρ = tahanan jenis bahan (Ω.mm2/m) l = panjang bahan (m) A = luas penampang bahan (mm2) Penamaan Konduktor 1. Penghantar N – tembaga NA – alumunium 2. Isolasi Y – isolasi PVC 2Y – isolasi XLPE 3. Selubung dalam G – karet 2G – karet butyl K – timah hitam K – timah hitam KL – alumunium dengan permukaan licin KWK – selubung dari XLPE Y – selubung dari PVC 2Y – selubung dari polietilen Z – selubung dari pita seng 4. Perisai B – pita baja F – baja pipih L – jalinan kawat baja Q – kawat baja berlapis seng R – kawat baja bulat satu lapis RR – kawat baja bulat dua lapis Z – kawat baja berbentuk huruf “Z” 5. Spiral D – spiral anti tekan Gb – spiral dari pita baja 6. Selubung luar A – selubung dari yute Y – selubung dari PVC 7. Bentuk penghantar kabel se – sektor pejal sm – sektor serabut re – bulat pejal rm – bulat serabut Sifat Alloy Alloy merupakan paduan logam yang memiliki sifat sifat yang berbeda dari komponen-komponen pembentuknya. Pengaruh dari unsur pemadu tergantung pada bagaimana unsur itu terdapat dalam alloy. Dengan cara paduan sifatsifat mekanis seperti kekuatan, derajat kekerasan dapat ditinggalkan. SIFAT LISTRIK Sifat listrik : 1.Jika elektron bergerak bebas, mudah terjadi arus listrik, maka dapat disebut sebagai penghantar listrik (logam). 2.Jika bahan mudah membentuk kutub positif dan negatif, memiliki sifat dielektrik, dapat disebut sebagai konduktor ion positif/negatif [keramik]. 3.Jika elektron terikat pada atom, tidak mudah terjadi arus listrik, dapat disebut sebagai isolator atau nonkonduktor 4.Jika bahan dielektrik diberi medan listrik cukup kuat yang melebihi “kekuatan dielektrik”nya, isolator dapat menjadi konduktor. SIFAT LISTRIK 1. Tahanan kemampuan menahan arus listrik 2. Konduktivitas kemampuan menghantarkan arus listrik 3. Kekuatan dielektrik kemampuan menahan tembus tegangan (batas kemampuan isolasi bahan bila diberi tegangan tertentu sampai isolasinya bocor, arus mengalir) Data tahanan jenis beberapa bahan : Data kekuatan dielektrik beberapa bahan : Jika tubuh manusia menjadi konduktor, dan dialiri > 1 mA, jantungnya dapat kacau denyutnya, di samping terjadi konversi energi listrik menjadi energi termal. VIDEO dari Youtube How Capacitors Work - YouTube How Electromotive Force Works - YouTube Terima Kasih Transitional Page
