PENGARUH PENAMBAHAN CuO TERHADAP KARAKTERISTIK ELEKTRIK PADA KERAMIK VARISTOR ZnO DENGAN SUHU PENYINTERAN 13000C

i

ABSTRACK

THE EFFECT OF CUO ADDITION ON ELECTRICAL CHARACTERISTIC

CERAMIC ZNO VARITOR WITH TEMPERATURE SINTERING 13000 C

By

DHIMAS YASSINTA

The characteristic of ZnO varistor is non-linear, it have low resistance if high current flow and high resistance if small current. Varistors ability is due to active elements of ZnO doped with metal oxide grains (additive). In this study, using CuO as doped material to ZnO.

In this study, varistor made using dry pressing metode at a pressure of 200 kg/cm3 and sintering at temperature 13000C. Varistor are produce have thickness ± 1.7 mm, diameter ± 12 mm and mass ± 0.9 grams. The electrical characteristis of varistor be in the from of V-I characteristic is done by using a series of current measurements and the V-t characteristics by using using a series of RLC impulse voltage generator.

Based the result of testing V-I characteristic, has acquired the characteristic of ZnO varistor and ZnO-CuO varistor (0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % and 1 % mol), in which if the CuO material has doped in varistor ZnO can be increase of curve of V-I characteristic ZnO varistor with non-linear coefficient (α) so greater (non

-linear coefficient was highest at addition of CuO 1% with α = 6.18). While based

of the testing V-t characteristic, the ZnO-CuO varistor (0,05 and 0,1 % mol) have cut the impulse voltage on impulse voltage rating 2500-3000 volt and have a higher of V-t characteristic from ZnO varistor. While the ZnO-CuO varistors (0.3%, 0.5% and 1 % mol) have not been cutting the impulse voltage at teh impuls voltage rating 2500-3000 volt, assumed that a impulse voltage varistors has not been enough to work on an existing impulse voltage.

ii ABSTRAK

PENGARUH PENAMBAHAN CuO TERHADAP KARAKTERISTIK ELEKTRIK PADA KERAMIK VARISTOR ZnO DENGAN SUHU

PENYINTERAN 13000C

Oleh

DHIMAS YASSINTA

Varistor ZnO memiliki sifat tidak linear di mana nilai tahanannya rendah saat dialiri arus yang besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil. Kemampuan varistor tersebut timbul karena elemen aktif ZnO didoping dengan butir-butir oksida logam (zat aditif). Dalam penelitian ini menggunakan CuO sebagai bahan pendopingnya.

Dalam penelitian ini, varistor dibuat dengan menggunakan metode dry pressing

pada tekanan 200 kg/cm3 lalu disintering pada suhu pemanasan 13000C. Varistor yang dihasilkan memiliki kepadatan yang keras dengan ketebalan ±1,7 mm, diameter ±12 mm dan massa ±0,9 gram. Pangkarakterisasian elektrik varistor yang berupa karakteristik V-I dilakukan dengan menggunakan rangkaian pengukuran arus sedangkan karakteristik V-t dilakukan dengan menggunakan rangkaian pembangkit tegangan impuls RLC.

Berdasarkan hasil pengujian karakteristik V-I, telah didapatkan karakteristik V-I dari varistor ZnO murni dan varistor ZnO-CuO (0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol), di mana dengan ditambahkannya dopan CuO ke ZnO menghasilkan lengkung karakteristik V-I varistor ZnO yang semakin tinggi dengan koefisien

non-linear (α) yang semakin besar (nilai koefisien non-linear terbesar berada pada penambahan CuO 1% dengan α = 6,18). Sedangkan berdasarkan pengujian karakteristik V-t varistor, varistor ZnO-CuO (0,05 dan 0,1 % mol) dapat memotong tegangan impuls pada rating tegangan 2500-3000 volt dan memiliki karakteristik V-t yang lebih tinggi dari varistor ZnO murni, sedangkan varistor ZnO-CuO (0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol) belum dapat bekerja memotong tegangan impuls pada rating tegangan 2500-3000 volt, hal ini diduga tegangan impuls yang diberikan belum cukup untuk varistor bekerja pada tegangan impuls yang ada. Kata kunci : Varistor ZnO-CuO, karakteristik V-I, karakteristik V-t

V. SIMPULAN DAN SARAN

A. Simpulan

Setelah melakukan penelitian dan menganalisis data yang didapatkan, maka dapat disimpulkan bahwa :

1. Pembuatan keramik varistor menggunakan metode pencetakan kering (dry pressing) dan disinteringan pada tekanan suhu 13000C, telah dihasilkan keramik varistor yang padat dan keras.

2. Berdasarkan pengujian pengukuran tegangan-arus, telah didapatkan karakteristik V-I dari varistor ZnO murni dan varistor ZnO yang didoping dengan CuO, dimana dari karakteristik V-I tiap varistor telah memperlihatkan sifat ketidak-linearannya. Dengan ditambahkan dopan CuO ke dalam ZnO, lengkung karakteristik V-I dari varistor ZnO menjadi lebih tinggi.

3. Dalam penelitian ini telah didapatkan nilai koefisien non-linear (α) tiap varistor yang dibuat adalah α ZnO = 2,86; α CuO 0,05% = 2,41; α

ZnO-CuO 0,1% = 2,67; α ZnO-CuO 0,3% = 3,96; α ZnO-CuO 0,5% = 5,68 dan α

ZnO-CuO 1% = 6,18. Semakin besar komposisi CuO yang ditambahkan ke dalam ZnO, maka nilai koefisisen non-linear varistor akan semakin besar. 4. Berdasarkan pengujian tegangan tembus varistor, varistor ZnO murni dan

varistor ZnO yang didoping dengan CuO dengan komposisi 0,05 dan 0,1% mol telah bekerja dalam memotong tegangan impuls, dimana kurva

77

karakteristik V-t dari tegangan tembus varistor berada dibawah kurva karakteristik V-t tegangan impulsnya.

5. Pada penelitian ini dengan penambahan dopan CuO ke dalam ZnO, belum dapat meningkatkan kinerja dari varistor ZnO. Hal ini dikarenakan kurva karakteristik V-t varistor ZnO-CuO berada di atas dari kurva karakteristik V-t varistor ZnO.

6. Varistor ZnO yang didoping dengan CuO dengan komposisi 0,3;0,5 dan 1% mol belum dapat bekerja memotong tegangan impuls yang diberikan. Hal ini diduga tegangan impuls yang diberikan belum cukup untuk varistor bekerja pada tegangan impuls yang ada.

B. Saran

Setelah melakukan penelitian dan menganalisis data yang telah didapatkan, maka dapat diberikan saran sebagai berikut :

1. Diharapkan dalam melakukan pengukuran karakteristik V-I varistor, menggunakan trafo dengan daya yang besar. Sehingga dapat menghasilkan arus maksimum yang besar pula, serta menggunakan alat ukur yang lebih sensitif dengan range pengukuran yang tinggi untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih maksimal.

2. Diharapkan penelitian selanjutnya untuk menggunakan tegangan uji impuls yang lebih tinggi yaitu di atas tegangan 3000 volt, sehingga didapatkan data karakteristik V-t yang lebih maksimal.

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang dan Masalah

Pusat listrik umumnya dihubungkan dengan saluran udara transmisi yang menyalurkan tenaga listrik ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-gardu induk (GI). Saluran udara rawan terhadap sambaran petir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja petir) yang dapat masuk ke pusat listrik dan dapat merusak peralatan listrik yang ada. Selain itu, surja hubung juga dapat berasal dari proses hubung singkat. Oleh karena itu, diperlukan adanya arester surja yang dapat mengatasi surja dari petir atau hubung singkat yang akan masuk ke instalasi pusat listrik.1

Arester surja adalah suatu alat yang digunakan untuk melindungi peralatan listrik dari tegangan lebih yang dihasilkan petir atau akibat proses hubung singkat pada sistem tenaga listrik. Pada keadaan tegangan jaringan normal, arester berperan sebagai isolasi. Tetapi jika ada surja petir tiba pada terminal arester, maka arester berubah menjadi penghantar dan mengalirkan muatan surja petir tersebut ke tanah sehingga peralatan terproteksi dari tegangan lebih.

Dalam pembuatan arester surja biasanya menggunakan serbuk semikonduktor yang digunakan sebagai resistor tak linier atau biasa disebut varistor. Resistor tak

1

2

linier ini mempunyai tahanan yang rendah saat dialiri arus yang besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil.2

Serbuk pembuat arester yang banyak digunakan adalah Zinc Oxide (ZnO). ZnO merupakan serbuk semikonduktor tipe-n dengan lebar pita energi 3.2 eV - 3.3 eV pada suhu kamar. Oksida ini memiliki transmisi optik yang tinggi serta dapat menghantarkan listrik sehingga lapisan tipis ZnO menjadi pilihan utama untuk berbagai aplikasi varistor.

Varistor ZnO memiliki sistem kerja pada saat tegangan sistem tidak melebihi tegangan kerja arester, varistor ZnO tidak bekerja mengalirkan arus ke tanah, tetapi bila tegangan melebihi tegangan kerjanya, varistor ZnO akan bekerja mengalirkan arus lucutan ke tanah. Kemampuan varistor tersebut timbul karena elemen aktif ZnO dibuat melalui proses pencampuran butir-butir oksida logam (zat aditif), seperti MnO, SbO3, Bi2O3 pada lapisan tipis ZnO dengan pemanasan

pada tekanan tinggi atau proses penyinteran.3 Penambahan serbuk suatu zat oksida logam seperti Cu dapat meningkatkan ketidak-linearan varistor ZnO.4

Karakteristik dan evaluasi unjuk kerja varistor sangat penting dilakukan. Diantaranya adalah evaluasi karakteristik elektrik yang berupa V-I (tegangan – arus) dan karakteristik V-t (tegangan – waktu), di mana dari evaluasi ini dapat diketahui sifat ketidak linearan dari varistor dan keberhasilan varistor dalam memproteksi peralatan.

2

Tobing, L. B. 2003 a. Peralatan Tegangan Tinggi. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta.

3

Syarif, Dani G. Prajitno, Djoko Hadi. Sukirman, Engkir. Ariwahjoedi, Bambang. 2000. Pengaruh

Penamserbuk CoO Terhadap Faktor Kenonlinieran Dan Struktur Mikro Varistor ZnO-Bi2O3. P3IB-BATAN. Serpong

4

Raghu, N. Kutty ,T. R. N.1990. The influence of dislocations on the nonlinearity of ZnO :Cu varistors. Materials Research Centre, Indian Institute of Science, Bangalore 560012, India. Journal Of Materials Science: Materials In Electronics 1 hal 84-86

3

Penambahan serbuk suatu zat aditif ke dalam lapisan ZnO dapat mempengaruhi tingkat kinerja varistor ZnO agar lebih baik dan proses pembuatan keramik varistor yang meliputi pemilihan bahan, pembentukan serta penyinteran pada suhu yang tinggi juga mempengaruhi kualitas suatu varistor. Berdasarkan penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh N. Raghu dan T.R.N. Kutty (1990), menyatakan bahwa penambahan serbuk logam oksida tembaga kedalam ZnO dengan komposisi campuran 0,1 – 1% mol telah memperlihatkan karakteristik ketidak linieran yang tinggi pada keramik ZnO dan berdasarkan penelitian F. Apaydin, et al (2005), menyatakan bahwa dengan penambahan serbuk logam oksida CuO dengan komposisi 1 – 3% mol telah meningkatkan pertumbuhan butir ZnO.

Oleh sebab itu penelitian ini mencoba meneliti membuat keramik varistor ZnO dan mengkarakterisasi dari segi elektriknya, di mana varistor ZnO didoping dengan zat aditif tembaga oksida (CuO) dengan komposisi penambahan serbuk 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol yang proses pembentukannya menggunakan teknik dry pressing (pengepresan kering), lalu disintering dengan suhu penyinteran (pembakaran) 13000C untuk memperoleh kepadatan yang lebih baik. Selanjutnya dilakukan penelitian bagaimana pengaruh penambahan serbuk CuO pada varistor ZnO terhadap karakteristik elektrik.

4

B. Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah:

1. Memahami proses pembuatan keramik varistor ZnO – CuO yang disintering pada suhu 13000C.

2. Menganalisa karakteristik elektrik V – I dan V – t varistor ZnO murni. 3. Menganalisa pengaruh penambahan serbuk CuO pada varistor ZnO

terhadap sifat elektrik V- I dan V - t.

C. Kerangka Pemikiran

Pada tugas akhir ini dibahas mengenai karakteristik elektrik V-I dan V-t dari varistor ZnO murni dan pengaruh penambahan serbuk zat aditif CuO terhadap karakteristik elektriknya.

Pada proses pembuatan keramik varistor, terlebih dahulu serbuk ZnO dengan kemurnian 99% dicampur dengan bubuk CuO dengan komposisi penambahan serbuk adalah 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol. Setelah melalui proses pencampuran, tahap selanjutnya campuran serbuk tersebut ditekan pada die

dengan alat tekan hidrolik menggunakan teknik dry pressing pada tekanan 200 kg/cm2 sehingga terbentuk sampel varistor mentah. Selajutnya untuk memperkuat ikatan partikel pada sampel varistor mentah agar tidak mudah pecah, maka sampel varistor mentah disintering pada suhu 13000C dengan waktu penahanan selama 2 jam. Sampel varistor mentah yang sudah melalui proses sintering menghasilkan keramik varistor yang memiliki kepadatan yang kuat sehingga tidak mudah pecah. Selanjutnya dilakukan pengujian menggunakan rangkaian pengukuran arus untuk

5

mendapatkan karakteristik V-I pada varistor ZnO dan pengujian karakteristik V-t menggunakan pembangkit tegangan impuls dengan tegangan pembangkitan 0 - 4000 Volt.

D. Hipotesis

Keramik varistor ZnO yang dicampur zat aditif CuO dengan komposisi pencampuran 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol dan disintering pada suhu 13000C memiliki karakteristik V-I yang lebih tinggi dan V-t yang lebih baik dibandingkan dengan keramik varistor ZnO.

77

karakteristik V-t dari tegangan tembus varistor berada dibawah kurva karakteristik V-t tegangan impulsnya.

5. Pada penelitian ini dengan penambahan dopan CuO ke dalam ZnO, belum dapat meningkatkan kinerja dari varistor ZnO. Hal ini dikarenakan kurva karakteristik V-t varistor ZnO-CuO berada di atas dari kurva karakteristik V-t varistor ZnO.

6. Varistor ZnO yang didoping dengan CuO dengan komposisi 0,3;0,5 dan 1% mol belum dapat bekerja memotong tegangan impuls yang diberikan. Hal ini diduga tegangan impuls yang diberikan belum cukup untuk varistor bekerja pada tegangan impuls yang ada.

B. Saran

Setelah melakukan penelitian dan menganalisis data yang telah didapatkan, maka dapat diberikan saran sebagai berikut :

1. Diharapkan dalam melakukan pengukuran karakteristik V-I varistor, menggunakan trafo dengan daya yang besar. Sehingga dapat menghasilkan arus maksimum yang besar pula, serta menggunakan alat ukur yang lebih sensitif dengan range pengukuran yang tinggi untuk mendapatkan hasil pengukuran yang lebih maksimal.

2. Diharapkan penelitian selanjutnya untuk menggunakan tegangan uji impuls yang lebih tinggi yaitu di atas tegangan 3000 volt, sehingga didapatkan data karakteristik V-t yang lebih maksimal.

I. PENDAHULUAN

A. Latar Belakang dan Masalah

Pusat listrik umumnya dihubungkan dengan saluran udara transmisi yang menyalurkan tenaga listrik ke pusat-pusat konsumsi tenaga listrik, yaitu gardu-gardu induk (GI). Saluran udara rawan terhadap sambaran petir yang menghasilkan gelombang berjalan (surja petir) yang dapat masuk ke pusat listrik dan dapat merusak peralatan listrik yang ada. Selain itu, surja hubung juga dapat berasal dari proses hubung singkat. Oleh karena itu, diperlukan adanya arester surja yang dapat mengatasi surja dari petir atau hubung singkat yang akan masuk ke instalasi pusat listrik.1

Arester surja adalah suatu alat yang digunakan untuk melindungi peralatan listrik dari tegangan lebih yang dihasilkan petir atau akibat proses hubung singkat pada sistem tenaga listrik. Pada keadaan tegangan jaringan normal, arester berperan sebagai isolasi. Tetapi jika ada surja petir tiba pada terminal arester, maka arester berubah menjadi penghantar dan mengalirkan muatan surja petir tersebut ke tanah sehingga peralatan terproteksi dari tegangan lebih.

Dalam pembuatan arester surja biasanya menggunakan serbuk semikonduktor yang digunakan sebagai resistor tak linier atau biasa disebut varistor. Resistor tak

1

2

linier ini mempunyai tahanan yang rendah saat dialiri arus yang besar dan mempunyai tahanan yang besar saat dialiri arus yang kecil.2

Serbuk pembuat arester yang banyak digunakan adalah Zinc Oxide (ZnO). ZnO merupakan serbuk semikonduktor tipe-n dengan lebar pita energi 3.2 eV - 3.3 eV pada suhu kamar. Oksida ini memiliki transmisi optik yang tinggi serta dapat menghantarkan listrik sehingga lapisan tipis ZnO menjadi pilihan utama untuk berbagai aplikasi varistor.

Varistor ZnO memiliki sistem kerja pada saat tegangan sistem tidak melebihi tegangan kerja arester, varistor ZnO tidak bekerja mengalirkan arus ke tanah, tetapi bila tegangan melebihi tegangan kerjanya, varistor ZnO akan bekerja mengalirkan arus lucutan ke tanah. Kemampuan varistor tersebut timbul karena elemen aktif ZnO dibuat melalui proses pencampuran butir-butir oksida logam (zat aditif), seperti MnO, SbO3, Bi2O3 pada lapisan tipis ZnO dengan pemanasan pada tekanan tinggi atau proses penyinteran.3 Penambahan serbuk suatu zat oksida logam seperti Cu dapat meningkatkan ketidak-linearan varistor ZnO.4

Karakteristik dan evaluasi unjuk kerja varistor sangat penting dilakukan. Diantaranya adalah evaluasi karakteristik elektrik yang berupa V-I (tegangan – arus) dan karakteristik V-t (tegangan – waktu), di mana dari evaluasi ini dapat diketahui sifat ketidak linearan dari varistor dan keberhasilan varistor dalam memproteksi peralatan.

2

Tobing, L. B. 2003 a. Peralatan Tegangan Tinggi. PT. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta. 3

Syarif, Dani G. Prajitno, Djoko Hadi. Sukirman, Engkir. Ariwahjoedi, Bambang. 2000. Pengaruh

Penamserbuk CoO Terhadap Faktor Kenonlinieran Dan Struktur Mikro Varistor ZnO-Bi2O3. P3IB-BATAN.

Serpong 4

Raghu, N. Kutty ,T. R. N.1990. The influence of dislocations on the nonlinearity of ZnO :Cu varistors. Materials Research Centre, Indian Institute of Science, Bangalore 560012, India. Journal Of Materials Science: Materials In Electronics 1 hal 84-86

Penambahan serbuk suatu zat aditif ke dalam lapisan ZnO dapat mempengaruhi tingkat kinerja varistor ZnO agar lebih baik dan proses pembuatan keramik varistor yang meliputi pemilihan bahan, pembentukan serta penyinteran pada suhu yang tinggi juga mempengaruhi kualitas suatu varistor. Berdasarkan penelitian sebelumnya yang telah dilakukan oleh N. Raghu dan T.R.N. Kutty (1990), menyatakan bahwa penambahan serbuk logam oksida tembaga kedalam ZnO dengan komposisi campuran 0,1 – 1% mol telah memperlihatkan karakteristik ketidak linieran yang tinggi pada keramik ZnO dan berdasarkan penelitian F. Apaydin, et al (2005), menyatakan bahwa dengan penambahan serbuk logam oksida CuO dengan komposisi 1 – 3% mol telah meningkatkan pertumbuhan butir ZnO.

Oleh sebab itu penelitian ini mencoba meneliti membuat keramik varistor ZnO dan mengkarakterisasi dari segi elektriknya, di mana varistor ZnO didoping dengan zat aditif tembaga oksida (CuO) dengan komposisi penambahan serbuk 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol yang proses pembentukannya menggunakan teknik dry pressing (pengepresan kering), lalu disintering dengan suhu penyinteran (pembakaran) 13000C untuk memperoleh kepadatan yang lebih baik. Selanjutnya dilakukan penelitian bagaimana pengaruh penambahan serbuk CuO pada varistor ZnO terhadap karakteristik elektrik.

4

B. Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah:

1. Memahami proses pembuatan keramik varistor ZnO – CuO yang disintering pada suhu 13000C.

2. Menganalisa karakteristik elektrik V – I dan V – t varistor ZnO murni. 3. Menganalisa pengaruh penambahan serbuk CuO pada varistor ZnO

terhadap sifat elektrik V- I dan V - t.

C. Kerangka Pemikiran

Pada tugas akhir ini dibahas mengenai karakteristik elektrik V-I dan V-t dari varistor ZnO murni dan pengaruh penambahan serbuk zat aditif CuO terhadap karakteristik elektriknya.

Pada proses pembuatan keramik varistor, terlebih dahulu serbuk ZnO dengan kemurnian 99% dicampur dengan bubuk CuO dengan komposisi penambahan serbuk adalah 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol. Setelah melalui proses pencampuran, tahap selanjutnya campuran serbuk tersebut ditekan pada die

dengan alat tekan hidrolik menggunakan teknik dry pressing pada tekanan 200 kg/cm2 sehingga terbentuk sampel varistor mentah. Selajutnya untuk memperkuat ikatan partikel pada sampel varistor mentah agar tidak mudah pecah, maka sampel varistor mentah disintering pada suhu 13000C dengan waktu penahanan selama 2 jam. Sampel varistor mentah yang sudah melalui proses sintering menghasilkan keramik varistor yang memiliki kepadatan yang kuat sehingga tidak mudah pecah. Selanjutnya dilakukan pengujian menggunakan rangkaian pengukuran arus untuk

mendapatkan karakteristik V-I pada varistor ZnO dan pengujian karakteristik V-t menggunakan pembangkit tegangan impuls dengan tegangan pembangkitan 0 - 4000 Volt.

D. Hipotesis

Keramik varistor ZnO yang dicampur zat aditif CuO dengan komposisi pencampuran 0,05 %; 0,1 %; 0,3 %; 0,5 % dan 1 % mol dan disintering pada suhu 13000C memiliki karakteristik V-I yang lebih tinggi dan V-t yang lebih baik dibandingkan dengan keramik varistor ZnO.