II. TINJAUAN PUSTAKA
11. 1. V A R I S T O R Varistor atau disebut sebagai Variabel Resistor atau juga disebut Voltage-Dependent Resistors,
adalah merupakan piranti elektronik yang
berfungsi untuk mengatasi gelombang tegangan sesaat yang tidak diinginkan (Topan K.G,1991). Sehingga dapat dipergunakan sebagai proteksi didalam suatu rangkaian elektronik. Pertama kali varistor dibuat dari bahan berbasis selenium yang banyak dipergunakan pada peralatan telekomunikasi. Varistor memiliki sifat-sifat khusus yang ditunjukkan pada pola hubungan arus listrik I dengan tegangan listrik V seperti gambar 1 berikut ini. I
V
Gambar 1. Pola Hubungan Arus I dan Tegangan V pada Varistor (Moulson A.J. and Herbert J.M. 1990).
Varistor akan memiliki resistansi yang rendah pada tegangan tinggi, dan sebaliknya akan memiliki resistansi tinggi pada tegangan rendah.
5
6
Dengan perkembangan teknologi akhirnya ditemukan bahan pengganti selenium yaitu kristal tunggal silicon yang digunakan untuk aplikasi tegangan rendah, dan jenis material lain yaitu polikristal SiC dan ZnO yang mampu untuk aplikasi pada tegangan tinggi (Topan K.G,1991). Perkembangan terakhir ternyata ZnO merupakan material yang mampu menggantikan SiC maupun kristal tungal Si, hal ini dikarenakan varistor ZnO memiliki kemampuan yang luas untuk segala tingkatan daya (Topan K.G,1991). Beberapa keunggulan ZnO sebagai bahan varistor adalah (Topan K.G, 1991): •
Memiliki respon yang jauh lebih cepat
•
Harga bahan lebih murah dan lebih muda fabrikasinya
•
Kemampuan penyerapan energi yang tinggi
•
Memiliki ukuran dimensi yang lebih kecil
•
Memiliki umur pakai (life time) yang panjang dan tahan pada segala kondisi lingkungan. I' •
•
Koefisien non linier yang tinggi
Beberapa sifat-sifat dari varistor ZnO menurut Gupta 1991 ditunjukkan pada tabel 1. Tabel 1 sifat-sifat Varistor ZnO Parameter Grain boundary resistance Grain resistance Bulk density Non linier voltage Non linier Coefficient Response time Life
Nilai 10'^ Qcm (1-10) Qcm 5,61 g W 1 - lOkV/cm 15-100 5 - 1 0 ns > 30 years
7
II. 2. V A R I S T O R ZnO DAN K A R A K T E R I S T I K N Y A Umumnya hubungan tegangan V dengan arus I merupakan hubungan hnier atau ohmik, tetapi untuk jenis resistor tertentu tidak menunjukkan hubungan ohmik seperti pada varistor ZnO. PoUkristallin dari keramik semikonduktor yang berbasis ZnO dapat dipergunakan sebagai varistor yang mampu memproteksi
tegangan yang berlebih {overvoltage) pada
suatu
rangkaian dan mampu beroperasi pada berbagai kisaran tegangan atau voltage range (Mattias E, 2002). Dimana sifat utama dari varistor ZnO adalah sifat yang non linier koefisien (a) yaitu resistor dapat menghantarkan arus I yang besar tanpa tergantung pada kenaikkan tegangan V (Moulson A.J. and Herbert J.M. 1990). Non
linier
koefisien
didifinisikan
sebagai
perbandingan
antara
perbedaan arus listrik (I) yang melalui varistor dengan perbedaaan tegangan listrik (V) pada varistor, ditunjukkan pada persamaan sebagai berikut (Mattias E,2002): d(logl) a
=
(1) d(logV)
dan nilai a untuk jenis varistor ZnO bervariasi yaitu sekitar 35 sampai 100 , serta nilai a dapat dipengaruhi oleh beberapa factor antara lain : temperatur, tekanan, mikrostruktur, dan parameter-parameter dalam proses fabrikasi (Mattias E, 2002). Skema sifat listrik dari varistor ZnO. Persamaan hubungan non linier ditunjukkan pada persamaan berikut ini Moulson 1990, dan Gupta 1991 :
menurut
8
Arus I
={W/Cy
(2)
Dimana : V C a
= tegamgan, volt = konstanta = koefisien non linier.
Skema karakteristik non linier dari varistor ZnO diperlihatkan pada kurva hubungan anatara tegangan listrik V dengan arus listrik I seperti diperlihatkan pada gambar 2. pre-ii witch region
switched region
£>„--10'"-10'^Qcm
/ - K "
high-current region
a~20-100
o
grain boundary control
grain control
J
10"
-0.1-10-Qcm
10'"
10"
10"^
L
10'
current density (,Vcm-)
Gambar 2. Kurva hubungan arus I dengan tegangan V dari Varistor ZnO (Gupta 1991, Mattias E, 2002) Dimana pada kurva tersebut menunjukkan ada tiga daerah karakteristik yaitu daerah pre switch I pre-breakdown dimana varistor bertindak sebagai resistor ohmik yaitu arus listrik berbanding lurus terhadap kenaikkan tegangan listrik secara linier dengan rapat arus sekitar 10"^ A/cm^. Dalam kondisi normal hanya terjadi kebocoran arus yang sangat kecil di varistor pada daerah tersebut, artinya varistor masih bersifat isolator listrik. Tetapi begitu memasuki daerah switch
9
region I non linier maka di varistor akan terjadi penurunan drastis resistansi / tahanan secara tiba-tiba , sehingga konduksi arus listrik akan jauh lebih besar dengan perubahan tegangan listrik yang sangat kecil sekali (hampir tidak terjadi lonjakkan tegangan listrik) . Mekanisme hantaran listrik di Varistor pada daerah pre switch I pre-breakdown sampai ke daerah switch region I non linier sangat dipengaruhi dan dikontrol oleh mikrostruktur ZnO yaitu khususnya batas butir atau grain boundary (Mattias E, 2002). Untuk kenaikkan arus listrik yang jauh lebih besar lagi maka butiran {grain) ZnO yang akan mengontrol, dan varistor akan berfungsi kembali bersifat ohmik pada daerah high current. ketidak linieran
varistor
Tingkat
ZnO ini dapat dilihat dari kedataran kurva 1-V ,
semakin besar nilai koefisien non linier maka semakin datar kurva daerah non linier. Varistor dapat dipergunakan pada medan AC atau DC dengan rentang 10 volt sampai orde kVolt, dan besarnya jangkauan arus mulai dari mikro amper sampai kilo amper (Buchanan
1986). Dengan
demikian varistor dapat
dipergunakan untuk pengarrian pada pembangkit tenaga listrik (industri daya) maupun dalam industri elektronika / semikonduktor, hingga dapat dipergunakan juga sebagai penagkal petir (Kostorz 1988, Mattias E, 2002).
-
n.3. M I K R O S T R U K T U R VARISTOR ZnO Mikrostruktur dari polikristallin ZnO terdiri dari butiran {grain ) dan fasa diantara butiran yang disebut batas butir {grain boundary). Butiran dari ZnO memiliki resistansi yang rendah yaitu < 10 Qcm bearti bersifat konduktor, sedangkan batas butir memiliki resistansi yang tinggi sekitar sekitar lO'^ Qcm
10
yang menunjukkan
sifat
isolator
listrik.
Pada gambar 3 berikut ini
menunjukkan mikrostruktur dari ZnO (Moulson 1990 dan EPCOS 2004).
Gambar 3. Mikrostruktur dari ZnO. Konduksi arus listrik terlihat melalui garis tanda panah yang melalui butiranbutiran ZnO. Mikrostruktur dari kermaik ZnO adalah multifasa polikristalin yang terbentuk pada proses pembakaran keramik ZnO (sintering). Untuk menghasilkan varistor ZnO dengan mikrostruktur seperti pada gambar 3 yaitu harus terbentuknya fasa pada batas butir sekaligus sebagai berfungsi pengikat butiran-butiran ZnO dan bersifat isolator listrik, dan fasa ZnO sebagai butir (grain). Umumnya fasa batas butir tersebut merupakan fasa gelas dari beberapa aditif yang ditambahkan pada waktu proses pembuatan varistor ZnO, yaitu antara lain : Bi203, Sb203, Si02, CoO, MnO dan Cr203 (Buchanan 1986 dan Gupta 1991). Sifat listrik varistor ZnO khususnya koefisien non linier sangat dipengaruhi oleh aditif tersebut. Semakin banyak fasa gelas sebagai batas butir (grain boundary) maka keramik ZnO akan semakin padat dan kuat, serta nilai
11
koefisien non linier semakin besar, sehingga kemampuan varistor menahan lonjakan tegangan yang semakin tinggi akan lebih baik. Beberapa hasil yang pernah dilakukan oleh Peter Kocher,2004 bahwa pembuatan
ZnO dengan
menggunakan 5 macam
aditif
(BiaOs, CoO,
MnO,Cr203, dan Sb203) bersama-sama menghasilkan varistor ZnO dengan nilai koefisien non linier a = 50, dengan mikrostruktur terdiri dari : butir ZnO, batar butir berupa fasa amorfus Bi203, dan sekunder fasa spinel Zn7Sb20i2.
II.4. A P L I K A S I DARI V A R I S T O R ZnO Varistor ZnO aplikasinya sangat luas sekali ,karena mampu bekerja pada daerah tegangan yang cukup lebar , antara lain : sebagai pengaman dalam rangkaian elektronik , dan digunakan sebagai pengaman pada jaringan distribusi listrik tegangan tinggi (Moulson 1990, Gupta 1991, dan Mattias E, 2002). Pada gambar 4, ditunjukkan contoh penggunaan dari varistor pada jaringan listrik tegangan tinggi.
lis. i'l Gambar 4. Varistor ZnO yang digunakan di jaringan listrik tegangan tinggi sebagai Switchgear (Mattias E, 2002).
12
Varistor ZnO pada gambar 4 terletak dibagian dalam dari isolator keramik, dimana varistor dihubungkan secara pararel dengan beban atau transformer atau relay
station
yang
akan
dilindunginya. Adapun
hubungan
rangkaian
penggunaan varistor ditunjukkan pada gambar 5.
incoming voltage
outgoing x oliage
varistor
Gambar 5. Skema rangkaian aplikasi varistor (Mattias E, 2002). Pada gambar 5 tersebut bahwa varistor dihubungkan secara parallel terhadap sistem rangkaian {load) yang akan dilindungi. Dimana tegangan yang akan • masuk ke varistor {incoming voltage) mengalami lonjakan dan setelah melalui varistor {outgoing voltage) lonjakan tegangan dapat ditekan serendah mungkin tanpa mempengaruhi arus listrik yang mengalir ke sistem rangkaian, sehingga sistem rangkaian
(/oafiO dapat terlindungi.
-
:• -
: •
:
U.S. PROSES PEMBUATAN K E R A M I K ZnO Pembuatan suatu produk keramik melalui beberapa tahapan proses antara lain
: proses preparasi
campuran
serbuk
(bahan
baku), proses
13
pembentukan, proses pengeringan dan terakhir proses |XMnbakaran atau proses sintering. Proses sintering pada pembuatan pemadatan
keramik adalah suatu proses
dari sekumpulan serbuk pada suhu tinggi tlihawah titik lebumya
hingga terjadi perubahan struktur mikro seporli pcrlumhiilian butir, penguran pori, penyusutan dan peningkatan densitas (Randall M . ( i . 19 91). Sintering merupakan tahapan pembuatan keramik yang sangal pciiling dalam menentukan kualitas suatu produk akhir dari keramik. Proses sinlciing dapat berlangsung apabila : adanya energi yang diserap oleh material sohiiig|..a dapat terjadi proses difusi antara partikel-partikel penyusun keramik (Randall M.G. 1991). Dengan adanya difusi tersebut maka akan terjadi kontak antara partikel dan terjadi suatu ikatan yang kuat diantara partikel-partikel, disamping iiu terjadi rekonstruksi susunan partikel yang dapat menghilangkan atau mciigurangi pori-pori yang berada diantara partikel. Proses difusi yang berlangsung ada beberapa macam antara lain : difusi volum, difusi permukaan, difusihalas butir,
dan difusi
evaporasi - kondensasi (Reynen P. 1979, dan Randall M.G. 1991).
Pada
gambar 6. ditunjukkan macam proses difusi diantara (iga partikel yang saling kontak. Tiap macam difusi akan memberikan efek terhadap perubahan sifatsifat fisis yaitu perubahan densitas, porositas, penyusulan, ukuran butir (Randall M.G. 1991). Umumnya peningkatan densitas, pengurangan pori dan penyusutan disebabkan karena adanya difusi volum dan difusi batas butir (Ristic . M M . 1989, dan Randall M.G. 1991).
:
/
14
(6) Difusi volum
' '
' •
Gambar 6. Proses difusi selama proses sintering (Randall M.G. 1991).
•
Faktor-faktor yang dapat mempercepat laju proses sintering antara lain : ukuran partikel, dan penggunaan aditif . Dalam pembuatan keramik ZnO digunakan bahan aditif yang mampu mempercepat proses sintering dan sekaligus dapat menurunkan suhu sintering. ZnO murni memiliki suhu sintering yang cukup tinggi yaitu diatas suhu 1300°C, dengan penggunaan aditif BiiOa yang memiliki titik lebur yang lebih rendah yaitu 825°C, maka suhu sintering dari keramik ZnO dapat ditekan dibawah 1000°C (Mattias E, 2002). Pada gambar berikut ditunjukkan diagram fasa sistem ZnO -
Bi203. Dengan menambahkan aditif
sampai 50 % mole Bi203 hanya terbentuk fasa tunggal ZnO, dan suhu sintering berkisar antara 800 - 1000"C menurut diagram fasa tersebut.
15
1100 1000-:
p
ZnO + liquid
900
liquid
''•\^
800
1K
1^ • l . q . \bci: I
\\ 740°C {Euiec-.c:
825'•r
,p + bcc \ A i I ' i T C ^ 735
700"
E
a - bcc
Z n O + bcc
600-500ZnO
60 Bi203{rr:
SO =)
100 Bi.O,
• Gambar 7. Diagram fasa sistem biner dari Zn() - 81:05 (Madias E, 2002). Beberapa parameter yang dapat dijadikan acu:;: untuk lunigevaluasi proses sintering adalah (Ristic M M . 1989): densitas. r-rositas, M(;,t rnekanik, dan penyusutan. Pada gambar 8 ditunjukkan hubunc.i.' antara pa i a meter-parameter tersebut terhadap perubahan suhu sintering.
-
'
7
•v'--l L _ \- -
©
0
I .
Keterangan : (1) Penyusutan, (2) Den^;ias. (3) Porositas, (4) Kekuatan mekanik, (5) I k -ran budr Gambar 8. Hubungan Suhu Sintering "crhadap silat-sifat keramik (Ristic M M . i"^9).
-u.-iujiu
16
Gambar 8, menjelaskan bahwa penyusutan dan porositas cenderung mengecil dengan meningkatnya suhu sintering, sebaliknya densitas dan kekuatan mekanik cenderung meningkat dengan naiknya suhu sintering.
II.6.ANALISA FASA PADA M A T E R I A L DENGAN D I F R A K S I SINAR X Sifat-sifat suatu material merupakan fungsi intrinsic dari fasa-fasa yang terkandungnya. Keberadaan fasa yang dominan maupun yang minor akan mempengaruhi sifat keseluruhan dari bahan. Dengan menggunakan difraksi sinar X dapat diidentifikasi fasa-fasa yang terdapat dalam bahan. Sinar X merupakan gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang 0,5 sampai 2,5 Angstrom yang mendekati jarak antar atom kristal (Hassen dan Chan, 1992). Jika sinar X ditembakkan kesegalah arah dan dalam arah tertentu berkas sinar yang dihamburkan akan sefasa dan saling menguatkan. Jika atom-atom tersusun secara periodic pada sebuah kisi maka sinar yang dihamburkan oleh atom-atom
tersebut
memiliki
hubungan
fasa
tertentu.
Hubungan
fasa
menghasilkan interferensi konstruktif dalam arah tertentu membentuk berkas difraksi seperti gambar 9. Berkas sinar X dengan panjang gelombang X jatuh dengan sudut 9 pada sekumpulan bidang kristal yang berjarak d. Sinar yang dipantulkan dengan sudut 9 hanya dapat tampak jika berkas-berkas dari tiap bidang yang berdekatan saling menguatkan. Oleh karena itu berkas sinar yang dihamburkan dari bidang difraksi sesuai dengan jarak antar kisi.
17
1 7
^
'
Beda lintasan = 2d sin 6
'
d = jarafc antar
Gambar 9. Difraksi Dari Bidang Kristal
Persamaan dari pantulan sinar yang saling menguatkan dinyatakan dengan hokum Bragg yaitu (Hassen dan Chan, 1992): nA, = 2 d s i n e
(3)
dengan n adalah orde difraksi, X adalah panjang gelombang, d adalah jarak antara bidang difraksi dan 6 adalah sudut difraksi.
. .
II.7. A N A L I S A M I K R O S T R U K T U R DENGAN SCANNING ELECTRON MICROSCOPE (SEM). Analisa mikrostruktur untuk mengetahui bentuk dan ukran dari butirbutir serta mengetahui interaksi satu butir dengan butir yang lainnya. Melalui observasi dengan SEM dapat dilihat pula seberapa jauh ikatan butiran yang satu dengan yang lainnya dan apakah terbentuk lapisan dianatara butiran atau disebut grain boundary. Skema peralatan SEM diperlihatkan pada gambar 10.
