TUGAS AKHIR – TM091486

STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN

MEKANISME VIBRATION ENERGY HARVESTING DENGAN

METODE PIEZOELECTRIC UNTUK PEMBEBANAN FRONTAL

DAN LATERAL

Andy Noven Krisdianto. SB NRP. 2108100602 Dosen Pembimbing Prof. Ir. I Nyoman Suntantra, M.Sc., Ph.D. JURUSAN TEKNIK MESIN Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2011

FINAL PROJECT–TM 091486

STUDY CHARACTERISTICS OF GENERATED

ENERGY WITH PIEZOELECTRIC VIBRATION

ENERGY HARVESTING MECHANISM METHOD FOR

FRONTAL AND LATERAL LOADING

Andy Noven Krisdianto. SB NRP 2108100602 Academic Supervisor Prof. Ir. I Nyoman Suntantra, M.Sc., Ph.D. DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING Faculty of Industrial Technology SepuluhNopember Institute of Technology Surabaya 2011

i

STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN

MEKANISME VIBRATION ENERGY HARVESTING DENGAN METODE PIEZOELECTRIC UNTUK

PEMBEBANAN FRONTAL DAN LATERAL

Nama Mahasiswa : Andy Noven Krisdianto NRP : 2108.100.602 Jurusan : Teknik Mesin FTI – ITS Dosen Pembimbing : Prof. Ir. I. N. Sutantra, M.Sc., Ph.D. ABSTRAK Energi tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk dari energi satu ke energi lainnya. Hal ini menyebabkan manusia berusaha mencari energi baru dengan mengubah energi yang tidak termanfaatkan menjadi energi yang berguna bagi kehidupan. Getaran pada suatu benda menyimpan potensi energi yang dapat dibangkitkan dan dapat dijadikan energi alternatif.

Piezoelectric material adalah material yang apabila dikenai tegangan mekanik akan mengalami deformasi sehingga dapat menghasilkan energi listrik. Berdasar sifat tersebut pada Tugas Akhir ini piezoelectric material akan dikenai gaya tekan yang berasal dari pegas dan putaran disk yang berputar secara eksentrik. Parameter yang divariasikan adalah gaya tekan arah frontal dan lateral, frekuensi gaya tekan yang berasal dari putaran motor sebesar 100rpm, 150rpm, 200rpm, 250rpm, 300rpm, 350rpm dan 400rpm. Dari pengujian tersebut kemudian akan dicari voltase bangkitan dan arus yang dihasilkan. Dari Penelitian ini didapatkan bahwa semakin tinggi kecepatan motor maka voltase bangkitan dan arus yang dihasilkan akan semakin besar. Disamping itu dari perhitungan dan percobaan didapatkan bahwa arah pembebanan lateral menghasilkan voltase bangkitan lebih tinggi daripada arah pembebanan frontal, tetari arus yang dihasilkan arah

ii

pembebanan frontal lebih tinggi daripada arah pembebanan lateral. Kata kunci : Getaran, piezoelectric, gaya tekan

iv

STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKAN MEKANISME VIBRATION ENERGY HARVESTING

DENGAN METODE PIEZOELECTRIC UNTUK PEMBEBANAN FRONTAL DAN LATERAL

TUGAS AKHIR

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

pada Bidang Studi Desain

Program Studi S-1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Oleh : ANDY NOVEN KRISDIANTO. SB

Nrp. 2108 100 602 Disetujui oleh Tim Penguji Tugas Akhir : 1. Prof. Ir. I N. Sutantra, M.Sc., Ph.D …..……..(Pembimbing) 2. Dr. Eng. Harus L. G., ST., M.Eng ……..….(Penguji I) 3. Wiwiek Hendrowati, ST., MT. ……..….(Penguji II) 4. Ir. A. Aziz Achmad ..…..…...(Penguji III)

SURABAYA Juli, 2011

v

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas karuniaNya sehingga penulisan Tugas Akhir ini dapat diselesaikan.

Tugas Akhir ini merupakan persyaratan untuk memperoleh gelar sarjana teknik bidang studi Desain Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya.

Penulis menyadari bahwa keberhasilan dalam penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari dukungan dan bantuan dari berbagai pihak, baik langsung maupun tidak langsung, oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang setinggi – tingginya kepada:

1. Bapak dan ibu tercinta, Totok Mardianto dan K. Budi Purwanti yang selalu mendukung secara moril dan materil, membimbing, dan juga menasehati saya sampai detik ini. Dan terima kasih kepada adik saya tercinta Dimas dan Shinta yang selalu mendukung dalam setiap langkah saya.

2. Prof. Ir. I. N. Sutantra, M.Sc., Ph.D. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan arahan dan petunjuk berharga mengenai penulisan Tugas Akhir.

3. Ir. A. Aziz Achmad, Wiwiek Hendrowati, ST., MT. dan Dr.Eng. Harus LG., S.T, M.Eng selaku dosen penguji pada sidang tugas akhir saya yang telah memberikan saran dan kritik demi kesempurnaan tugas akhir ini.

4. Seluruh dosen Teknik Mesin FTI-ITS, yang telah mendidik dan memberikan ilmu pengetahuan yang sangat bermanfaat bagi penulis.

5. Seluruh karyawan Teknik Mesin FTI-ITS, yang telah turut membantu demi kelancaran dalam pengerjaan tugas akhir ini.

6. Sahabat Endang, you are the best! 7. Teman-teman satu angkatan saya, tetap kompak!!!

vi

Tugas Akhir ini masih sangat jauh dari sempurna, kritik dan saran yang dapat menyempurnakan penyusunan Tugas Akhir sangat diperlukan. Semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya dalam bidang Harvesting Energy.

Surabaya, 2011

Penulis

vii

DAFTAR ISI

Halaman Judul Abstrak ....................................................................................... i Lembar Pengesahan ..................................................................... iv Kata Pengantar ............................................................................ v Daftar Isi ..................................................................................... vii Daftar Gambar ............................................................................. ix Daftar Tabel ................................................................................. xi BAB I PENDAHULUAN ........................................................... 1

1.1 Latar Belakang ................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah ........................................................... 2 1.3 Batasan Masalah................................................................. 2 1.4 Tujuan......................................................... ....................... 3 1.5 Manfaat ...................................................... ....................... 3

BAB II KAJIAN PUSTAKA ..................................................... 5 2.1 Gaya Pegas…...... ............................................................... 5 2.2 Dasar Teori Mekanika Getaran……………………… 6 2.2.1 Pengertian Geratarn ..................................................... 6 2.2.2 Derajat Kebebasan ....................................................... 6 2.3 Gerak Harmonik .................................................................. 8 2.4 Dasar Teoti Piezoelectric Material ................................... 13 2.4.1 Pengertian Dan Efek Piezoelectric .............................. 13 2.4.2 Piezoelectric Constant ................................................. 17 2.4.3 Karakteristik Elemen Keramik Piezoelectric .............. 29 2.4.4 Aplikasi Pemakaian Piezoelectric Material ................. 33 BAB III METODOLOGI ......................................................... 39 3.1 Tahapan – Tahapan Pengerjaan ....................................... 39 3.1.1 Tahap Pengumpulan Data dan Informasi .................... 39 3.1.2 Penentuan Pemodelan Mekanisme .............................. 39 3.1.3 Perencanaan Pengujian ................................................ 40 3.1.4 Perancangan dan Pembuatan Mekanisme .................... 42 3.1.5 Pengujian Mekanisme ................................................. 43 3.1.6 Pengambilan Data dan Perhitungan Teoritis ............... 44 3.1.7 Analisa dan Pembahasan ............................................. 45

viii

3.1.8 Kesimpulan ............................................................ 45 3.2 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir ............................... 46 3.3 Diagram Alir Rancang Bangun .......................................... 47 3.4 Diagram Alir Pengambilan Data ........................................ 48 3.5 Jadual Tugas Akhir ............................................................. 49 BAB IV PERHITUNGAN DAN ANALISA .............................. 51 4.1 Pengujian Mekanisme ......................................................... 51 4.1.1 Pengambilan dan Pengolahan Data Mekanisme ............ 51 4.2 Perhitungan Teoritis Gaya Tekan ....................................... 54 4.2.1 Perhitungan Konstanta Pegas ........................................ 51 4.2.2 Pergitungan Preload....................................................... 55 4.2.3 Perhitungan Gaya Tekan Total ...................................... 55 4.3 Perhitungan Teoritis Voltase Bangkitan ............................. 56 4.3.1 Perhitungan Teoritis Voltase Bangkitan Frontal ........... 57 4.3.2 Perhitungan Teoritis Voltase Bangkitan Lateral ........... 61 4.3.3 MetodePerhitungan RMS .............................................. 65 4.4 Analisa Grafik ..................................................................... 68 4.4.1 Analisa Grafik Voltase Bangkitan ................................. 68 4.4.2 Analisa Grafik Arus Bangkitan ..................................... 72 4.4.3 Analisa Grafik Perbandingan Daya ............................... 74 4.4.4 Analisa Perbandingan Pengujian dan Teoritis ............... 75 BAB V PENUTUP ...................................................................... 79 5.1 Kesimpulan ......................................................................... 79 5.2 Saran ................................................................................... 80 Daftar Pustaka .............................................................................. 81 Lampiran Biodata Penulis

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Gaya Yang Disebabkan Oleh Pegas ........................ 5 Gambar 2.2 Grafik Fspring vs. ∆x .................................................. 6 Gambar 2.3 Mekanisme Pegas Dengan Beban pada Ujung ........ 7 Gambar 2.4 Sistem Satu Derajat Kebebasan ............................... 8 Gambar 2.5 Rekaman Gerak harmonik ....................................... 9 Gambar 2.6 Proyeksi Gerak Harmonik pada Lingkaran ............. 10 Gambar 2.7 Simpangan, Kecepatan, dan Percepatan Gerak

Harmonik ............................................................ 11 Gambar 2.8 Gerak Harmonik Periodik ....................................... 11 Gambar 2.9 Eksitasi gerak Harmonik......................................... 12 Gambar 2.10 Efek Piezoelectric ................................................. 14 Gambar 2.11 Beberapa Bentuk Piezoelectric .............................. 15 Gambar 2.12 Kristal Piezoelectric ............................................... 17 Gambar 2.13 Definisi Arah Pada Elemen Piezoelectric .............. 18 Gambar 2.14 Impedan Sebagai Fungsi

Frekuensi............................. ................................. 31 Gambar 2.15 Piezoelectric Material Pada Korek Api dan Ignitor33 Gambar 2.16 Piezoelectric Material Sebagai Transormator ........ 34 Gambar 2.17 Piezoelectric Material Sebagai Sensor ................... 35 Gambar 2.18 Piezoelectric Material Sebagai Actuator................ 36 Gambar 2.19 Piezoelectric Material Sebagai Transducer............ 36 Gambar 3.1 Pemodelan Mekanisme ........................................... 40 Gambar 3.2 Model Disc Eksentrik .............................................. 41 Gambar 3.3 Model Pengukuran ................................................... 41 Gambar 3.4 Rancangan Mekanisme yang Akan Diukur ............. 42 Gambar 3.5 Mekanisme Kotak Penekan Piezoelectric ................ 42 Gambar 3.6 Pengujian Mekanisme Alat Uji Tekan

Piezoelectric ......................................................... 44 Gambar 3.7 Diagram Alir Tugas Akhir ....................................... 46 Gambar 3.8 Diagram Alir Rancang Bangun ............................... 47

x

Gambar 3.9 Diagram Alir Pengambilan Data ............................. 48 Gambar 4.1 Voltase Bangkitan Teoritis pada 100 rpm ............... 58 Gambar 4.2 Voltase Bangkitan Teoritis pada 150 rpm ............... 58 Gambar 4.3 Voltase Bangkitan Teoritis pada 200 rpm ............... 59 Gambar 4.4 Voltase Bangkitan Teoritis pada 250 rpm ............... 59 Gambar 4.5 Voltase Bangkitan Teoritis pada 300 rpm ............... 60 Gambar 4.6 Voltase Bangkitan Teoritis pada 350 rpm ............... 60 Gambar 4.7 Voltase Bangkitan Teoritis pada 400 rpm ............... 61 Gambar 4.8 Voltase Bangkitan Teoritis pada 100 rpm ............... 62 Gambar 4.9 Voltase Bangkitan Teoritis pada 150 rpm ............... 62 Gambar 4.10 Voltase Bangkitan Teoritis pada 200 rpm ............ 63 Gambar 4.11 Voltase Bangkitan Teoritis pada 250 rpm ............. 63 Gambar 4.12 Voltase Bangkitan Teoritis pada 300 rpm ............. 64 Gambar 4.13 Voltase Bangkitan Teoritis pada 350 rpm ............. 64 Gambar 4.14 Voltase Bangkitan Teoritis pada 400 rpm ............. 65 Gambar 4.15 Voltase Bangkitan RMS ....................................... 67 Gambar 4.16 Voltase vs Putaran Motor Frontal .......................... 68 Gambar 4.17 Voltase vs Putaran Motor Lateral .......................... 70 Gambar 4.18 Voltase Bangkitan Arah Pembebanan Frontal

dan Lateral........................................................... 71 Gambar 4.19 Arus Bangkitan Arah Pembebanan Frontal dan

Lateral ................................................................. 73 Gambar 4.20 Daya Bangkitan Arah Pembebanan Frontal dan

Lateral ................................................................. 74 Gambar 4.21 Voltase Bangkitan Pengujian dan Teoritis

Frontal ................................................................. 76 Gambar 4.22 Voltase Bangkitan Pengujian dan Teoritis

Lateral ................................................................. 77

xi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Energi Bangkitan, Displacement dan Kapasitansi pada Piezoelectric ........................... 16

Tabel 2.2 Data Teknis Beberapa Jenis Piezoelectric ............. 27 Tabel 2.3 Perbandingan Parameter pada PVDF dan

Copolymer ........................................................... 28 Tabel 3.1 Jadwal Rencana Pengerjaan Tugas Akhir ............. 49 Tabel 4.1 Hasil Pengujian Scesimen Penekanan Frontal ...... 52 Tabet 4.2 Hasil Pengujian Scesimen Penekanan Lateral ...... 53 Tabel 4.3 Hasil Perhitungan Teoritis Gaya Tekan Total ....... 56 Tabel 4.4 Perhitungan RMS Voltase Bangkitan .................... 66 Tabel 4.5 Voltase Bangkitan Teoritis Piezoelectric

Material ....................................................................... 66

xii

( Halaman ini sengaja dikosongkan )

1

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi yang kekal telah lama diyakini orang. Sebagaimana mengacu pada hukum kekekalan energi dan hukum pertama termodinamika yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, energi hanya dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Hukum alam inilah yang memotivasi manusia untuk terus berusaha memanfaatkan energi yang ada disekitar baik terbuang secara percuma maupun yang belum termanfaatkan untuk menjadi sumber energi baru yang berguna bagi kehidupan. Semangat pencarian energi baru makin mencuat karena juga didorong oleh situasi global yang mengindikasikan cadangan energi fosil (khususnya minyak bumi) makin lama makin menipis karena sifatnya yang tak terbarukan.

Sebagai alternatif dari keterbatasan energi fosil, manusia mencoba untuk menciptakan beberapa alat pemanen energi (energy harvesting). Energy Harvesting adalah proses dimana energi berasal dari sumber eksternal (tenaga surya, energi panas, energi angin, salinity gradients, energi potensial, dan energi kinetik), ditangkap, dan dikonversikan menjadi energi listrik.

Salah satu media converter energi harvesting yang dikembangkan saat ini adalah material piezoelectric. Piezoelektric mengubah strain mekanik menjadi arus listrik atau voltase. Sebagian besar sumber listrik piezoelektric menghasilkan daya pada ukuran miliwatt. Daya dalam ukuran miliwatt masih terlalu kecil untuk aplikasi sistem, tapi cukup untuk perangkat genggam seperti beberapa jam tangan otomatis tersedia secara komersial. Namun masih diperlukan daya dan voltase yang lebih besar lagi.

Hingga saat ini masih perlu dipelajari bagaimana cara mendapatkan energi listrik yang lebih besar dari material piezoelectric. Pada penelitian Tugas Akhir ini akan dibuat rancang bangun mekanisme vibrasi energi dengan metode piezoelectric untuk pembebanan tekan arah frontal dan lateral.

2

Sehingga didapat perbedaan besar energi yang dihasilkan dari dua variasi pembebanan yang berbeda. Selain itu juga akan diteliti pengaruh besarnya frekuensi terhadap energi yang dapat dihasilkan. 1.2 Perumusan Masalah

Dalam Tugas Akhir ini akan dilakukan beberapa hal, diantaranya :

1. Rancang bangun vibrasi energy harvesting metode piezoelectric dengan pembebanan tekan arah frontal dan lateral.

2. Voltase yang dapat dibangkitkan dari mekanisme vibrasi energy harvesting akibat pengaruh pembebanan tekan arah frontal dan lateral.

3. Voltase yang dapat dibangkitkan dari mekanisme vibrasi energy harvesting akibat pengaruh frekuensi

1.3 Batasan Masalah

Agar permasalahan tidak terlalu meluas, maka perlu diberikan batasan masalah, diantaranya :

1. Energi listrik yang dihitung adalah voltase listrik dan daya yang dihasilkan.

2. Gaya tekan yang terjadi dianggap gaya terdistribusi pada piezoelectric.

3. Parameter yang divariasikan adalah jenis pembebanan tekan dan frekuensi.

4. Tidak ada lonjakan antara disk eksentrik dengan tuas penekan.

5. Oscilloscope, dan motor DC digunakan dalam keadaan normal.

6. Gaya tekan yang divariasikan hanya frontal dan lateral.

3

1.4 Tujuan Tujuan dari penulisan Tugas Akhir ini adalah :

1. Membuat prototip alat penekan piezoelectric dengan pembebanan tekan arah frontal dan lateral.

2. Pengaruh pembebanan tekan arah frontal dan lateral. 3. Pengaruh frekuensi terhadap voltase.

1.5 Manfaat Tugas Akhir

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain:

1. Mengetahui karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme vibrasi energy harvesting untuk variasi pembeban tekan arah frontal dan lateral.

2. Mengetahui karakteristik energi yang dihasilkan mekanisme vibrasi energy harvesting untuk variasi frekuensi.

4

(halamaninisengajadikosongkan)

5

BAB II KAJIAN PUSTAKA

2.1 Gaya Pegas Apabila sebuah benda A terpasang pada titik diam B oleh sebuah pegas. Diasumsikan pegas tersebut tidak mengalami peregangan saat benda A berada pada Ao (Gambar 2.1).

Gambar 2.1 Gaya yang disebabkan oleh pegas

(Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003)

Percobaan eksperimen menunjukkan bahwa besar gaya F

yang disebabkan oleh pegas pada benda A adalah sebandingdengan defleksi x yang dialami pegas dari posisi Ao. Maka didapat F = kx (2.1)

Dimana k adalah konstanta pegas, dengan satuan N/m jika sistem satuan yang digunakan adalah SI, dan lb/ft atau lb/in jika sistem satuan yang digunakan adalah US. Gaya F yang disebabkan oleh spring selama peregangan dari benda A1(x = x1) ke A2(x = x2) didapat dari

dU = - F dx = -kx dx

6

U1-2 = - x1∫x2 kx dx = ½kx1

2 – ½kx22 (2.2)

Dimana persamaan tersebut adalah garis lurus dengan kemiringan k, maka U1-2 dari F selama peregangan dari A1 ke A2

bisa didapat dari evaluasi trapesium yang ditunjukkan gambar 2.2.

Gambar 2.2 Grafik Fspring vs ∆x

(Sumber: Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth Edition.2003)

Hal ini dilakukan dengan menghitung nilai F1 dan F2 dan

dikalikan dengan ∆x dari trapesium dimana berarti tinggi ½( F1 +

F2). Apabila gaya F adalah positif dari nilai negative ∆x, maka persamaan dapat ditulis menjadi

U1-2 = - ½( F1 + F2) ∆x (2.3)

2.2 Dasar Teori Mekanika Getaran 2.2.1 Pengertian Getaran

Secara umum getaran dapat didefinisikan sebagai gerakan bolak-balik suatu benda dari posisi awalnya. Ilustrasi yang paling sederhana untuk menjelaskan getaran adalah melalui mekanisme

7

pegas yang diberi beban pada ujungnya, seperti pada gambar 2.3. Setiap komponen mekanikal memiliki berat dan properties yang menyerupai pegas. Apabila tidak ada gaya yang diberikan pada beban diujung pegas yang menyebabkan beban tersebut bergerak, maka dapat dikatakan bahwa tidak ada getaran yang terjadi. Dari contoh diatas maka dapat juga dikatakan bahwa getaran adalah merupakan respon dari suatu sistem terhadap eksitasi internal maupun eksternal (stimulus) atau gaya yang diberikan pada sistem tersebut.

Gambar 2.3 Mekanisme Pegas dengan Beban pada Ujungnya

(Sumber: D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”.2002)

2.2.2 Derajat Kebebasan ( Degree of Freedom / DoF) Derajat kebebasan adalah jumlah koordinat bebas (independent coordinates) yang dibutuhkan untuk menggambarkan posisi dari sistem secara lengkap terhadap suatu referensi yang dianggap diam. Secara garis besar derajat kebebasan dapat dibagi menjadi dua yaitu, satu derajat kebebasan (single degree of freedom) untuk sistem yang gerakannya dapat digambarkan dengan satu koordinat dan multi derajat kebebasan (multi degree of freedom) untuk sistem yang gerakannya digambarkan oleh lebih dari satu koordinat. Pada perancangan ini akan digunakan sistem dengan satu derajat kebebasan.

8

Gambar 2.4 Sistem dengan satu derajat kebebasan (Sumber: Rao, Singiresu S. ”Mechanical Vibration.”2004.)

2.3 Gerak Harmonik Gerak osilasi dapat berulang secara teratur, seperti pada roda pengimbang arloji atau juga sangat tidak teratur seperti pada gempa bumi. Jika gerak tersebut berulang dalam selang waktu yang sama (τ ), maka disebut gerak periodik. Waktu pengulangan

τ disebut periode osilasi dan kebalikannya, τ1=f yang disebut

frekuensi. Bentuk gerak periodik yang paling sederhana adalah gerak harmonik Hal ini dapat diperagakan dengan sebuah massa yang digantung pada sebuah pegas seperti terlihat pada gambar 2.5. Jika massa tersebut dipindahkan dari posisi diam dan dilepaskan, maka massa tersebut akan berosilasi naik turun. Dengan menempatkan suatu sumber cahaya pada massa yang berosilasi, maka geraknya dapat direkam pada suatu keping film peka cahaya yang bergerak pada kecepatan konstan.

9

Gambar 2.5. Rekaman gerak harmonik

Gerakan yang terekam pada film dapat dinyatakan oleh persamaan :

τπ t

Ax 2sin=

dengan A adalah amplitudo atau simpangan terbesar diukur dari posisi setimbang dan,τ adalah periode. Gerak diulang pada t = τ .

Gerak harmonik sering dinyatakan sebagai proyeksi suatu titik yang bergerak melingkar dengan kecepatan konstan terhadap suatu garis lurus seperti ditunjukkan pada gambar 2.14. Dengan kecepatan sudut garis op sebesar ω, perpindahan simpangan x dapat dituliskan sebagai :

x = A sin ωt (2.4)

Besaran ω diukur dalam radian per detik dan disebut frekuensi lingkaran. Karena gerak berulang dalam 2π radian, maka didapat hubungan :

fπτπω 2

2 == (2.5)

10

Kecepatan dan percepatan gerak harmonik dapat diperoleh secara mudah dengan menurunkan persamaan 2.5, sehingga didapat :

tAx ωω cos=& = )2

sin(πωω +tA (2.6)

tAx ωω sin2−=&& = )sin(2 πωω +tA (2.7)

Gambar 2.6. Proyeksi gerak harmonik pada lingkaran Dalam gerak harmonik kecepatan dan percepatan juga

harmonik dengan frekuensi osilasi yang sama tetapi mendahului simpangan berturut-turut dengan π/2 dan π radian.

Dari gambar 2.7, terlihat bahwa pada saat simpangan berharga maksimum dan minimum, kecepatan berharga nol dan saat simpangan berharga nol, maka kecepatan berharga maksimum dan minimum.

Sedangkan pada percepatan, ketika simpangan berharga maksimum, maka percepatan berharga minimum dan sebaliknya ketika simpangan berharga nol maka percepatan juga berharga nol.

11

Gambar 2.7. Simpangan, kecepatan, dan percepatan gerak harmonik

Gambar 2.8 Gerak Harmonik Periodik (Sumber: D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for

Engineers”.2002)

Pada gambar 2.8 menjelaskan 3 parameter, yaitu amplitude (x rms), amplitude (x peak), serta ampltudo (peak to peak). Apabila masing-masing dihubungkan terhadap ketiga besaran analisa utama getaran (perpindahan, kecepatan dan percepatan), maka konversi dari nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut :

12

peakpeak

rms xx

x 07.02

==

peaktopeakpeak xx ×=2

1

peakpeakpeak fxxfV 2832.62 =⋅⋅⋅= π

peakpeakpeak xfxfa 22 4784.394 =⋅⋅⋅= π

Dimana, f : frekuensi (Hz)

Pada tugas akhir ini, eksitasi harmonik y(t) didapat dari Mekanisme Scotch yoke yang jika disk berputar dengan Kecepatan ω maka poros penghubung antara disk dengan rod akan menggerakkan balok s naik-turun, dan dengan demikian massa m akan bergetar atau berpindah dari posisi keseimbangannya, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2.9.

p

Gambar 2.9 Eksitasi Gerak Harmonik

θ=ωt

X = Asin ωt

(2.8)

(2.9)

peak

(2.10)

(2.11)

didapat dari yang jika disk berputar dengan

dengan slotted an demikian

massa m akan bergetar atau berpindah dari posisi keseimbangannya, sebagaimana ditunjukkan oleh Gambar 2.9.

13

2.4 Dasar Teori Piezoelectric Material 2.4.1 Pengertian dan Efek Piezoelectric

Piezoelectric material merupakan material (pada umumnya kristal batuan, keramik, termasuk tulang dan polimer) yang memiliki kemampuan untuk membangkitkan potensial listrik sebagai respon dari tegangan mekanik yang diberikan pada material tersebut (wikipedia, the free encyclopedia). Kata piezo berasal dari bahasa Yunani piezo atau piezein yang berarti memeras atau menekan. Efek piezoelectric ditemukan oleh Jacques dan Pierre Curie bersaudara pada tahun 1880. Mereka menemukan bahwa jika sebuah tegangan mekanik diaplikasikan pada suatu kristal tertentu seperti tourmaline, quartz, topaz, garam rochelle dan gula tebu akan muncul suatu muatan listrik dan tegangan listrik tersebut proporsional dengan tegangan mekanik yang diberikan. Material piezoelectric dapat dibagi menjadi 3 jenis yaitu :

• Kristal, seperti Quartz (SiO2), Gallium Orthophosphate (GaPO4)

• Keramik, seperti Barium Titanate (BaTiO3), Lead Zirconate Titanate (PZT)

• Polimer, seperti Polyvinylidene Diflouride (PVDF) Material piezoelectric sangat sensitif terhadap adanya

tegangan mekanik dan medan listrik. Jika tegangan mekanik diaplikasikan ke suatu material piezoelectric maka akan terjadi suatu medan listrik pada material tersebut, fenomena ini yang disebut efek piezoelectric. Efek piezoelectric mendeskripsikan hubungan antara tegangan mekanik dengan tegangan listrik pada benda padat. Efek piezoelectric tersebut bersifat reversible yaitu dapat menghasilkan direct piezoelectric effect (menghasilkan energi listrik jika diaplikasikan tegangan mekanik) dan menghasilkan reverse piezoelectric effect (menghasilkan tegangan dan/atau regangan mekanik jika diaplikasikan beda potensial listrik).

14

Gambar 2.10 Efek piezoelectric

Efek piezoelectric tersebut banyak diaplikasikan dalam kehidupan manusia seperti untuk menghasilkan dan mendeteksi suara, membangkitkan listrik tegangan tinggi, membangkitkan frekuensi elektronik, microbalancing, dan sebagainya. Efek piezoelectric tersebut juga menjadi dasar dari beberapa instrumen teknik dengan resolusi atom (scanning probe microscopies) seperti STM (scanning tunneling microscope), AFM (atomic force microscope), MTA (microthermal analysis), SNOM (near-field scanning optical microscopy) dan lain – lain, serta untuk pemakaian sehari – hari sebagai sumber percikan api seperti korek api untuk rokok dan sumber percikan api untuk pemanggang berbahan bakar propana.

Piezoelectric memiliki beberapa bentuk yang dapat dilihat

pada gambar 2.11. Bentuk – bentuk tersebut disesuaikan untuk aplikasi – aplikasi tertentu.

15

Gambar 2.11 Beberapa bentuk piezoelectric

Tiap – tiap bentuk piezoelectric yang berbeda memiliki

energi bangkitan yang berbeda juga. Untuk besarnya energi bangkitan (E), displacement (∆L) dan kapasitansi (C) dapat dilihat pada tabel 2.1 dibawah ini :

16

Tabel 2.1 Energi bangkitan, displacement dan kapasitansi pada piezoelectric

17

Pada kristal piezoelectric beban elektrik positif dan negatif

terpisahkan namun terdistribusi simetri maka kristal secara elektrik netral. Tiap – tiap sisinya membentuk dua kutub elektrik. Jika tegangan mekanik diaplikasikan maka distribusi yang simetri tadi akan menjadi asimetri dan membangkitkan tegangan listrik melintasi material seperti terlihat pada gambar 2.12. Sebagai contoh sebuah kubus quartz 1 cm3 dengan gaya yang diaplikasikan sebesar 2 kN (500 lbf) dapat memproduksi tegangan listrik sebesar 12.500 V. Material piezoelectric juga mampu menghasilkan efek yang berkebalikan, disebut converse piezoelectric effect dimana bila material dikenai sebuah medan listrik maka akan menghasilkan deformasi mekanik pada kristal atau material.

Gambar 2.12 Kristal piezoelectric

2.4.2 Piezoelectric Constants Keramik piezoelectric merupakan material yang anisotropic. Untuk itu diperlukan konstanta phisik yang dapat menyatakan hubungan antara arah gaya mekanik dan gaya listrik yang diberikan atau dihasilkan. Hubungan tersebut tergantung dari sifat keramik piezoelectric, ukuran dan bentuk elemen, serta arah dari eksitasi mekanik atau elektrik. Identifikasi arah pada elemen piezoceramic mengacu pada 3 sumbu yang analog dengan sumbu X, Y dan Z pada sistem sumbu ortogonal. Untuk gaya / tegangan normal ketiga sumbu

18

yang bersesuaian dengan sumbu X, Y, Z dinotasikan sebagai 1, 2, dan 3. Sedangkan untuk gaya / tegangan geser, ketiga sumbu koordinat tersebut direpresentasikan oleh subscript 4, 5, dan 6. Pada umumnya polarisasi keramik ditentukan sejajar dengan sumbu 3, yang mana arah polarisasi tersebut ditetapkan selama proses produksi untuk mengaktifkan material.

Pendefinisian konstanta piezoelectric biasanya ditandai dengan dua buah subscript. Subscript pertama menyatakan arah medan listrik yang berhubungan dengan voltase atau arus listrik yang diberikan atau yang dihasilkan, yaitu sumbu 3. Sedangkan subscript kedua menyatakan arah tegangan atau regangan mekanik, yang dalam hal ini merupakan arah yang searah dengan serat material atau arah yang tegak lurus terhadap bidang yang dibentuk oleh sumbu 3 dan sumbu yang searah dengan serat material.

Gambar 2.13 Definisi Arah Pada Elemen Piezoelectric

19

Beberapa konstanta material piezoceramic ditandai dengan superscript yang menyatakan spesifikasi kondisi mekanik dan elektrik. Superscript yang digunakan adalah T, S, E, dan D yang menyatakan T : tegangan konstan (sistem bebas secara mekanik) S : regangan konstan (sistem dibatasi secara mekanik) E : medan listrik konstan (short circuit) D : perpindahan elektrik konstan (open circuit) Sebagai contoh, KT

3 menyatakan konstanta dielectric relatif diukur dalam arah polarisasi (3), pada tegangan konstan.

Beberapa definisi tentang konstanta beserta persamaan

yang sering digunakan dipaparkan pada uraian berikut.

a. Piezoelectric Charge Constant Piezoelectric charge constant, d, adalah polarisasi yang dibangkitkan per-unit tegangan mekanik yang diaplikasikan pada material piezoelectric, atau regangan mekanik yang terjadi pada material piezoelectric per-unit medan listrik yang diberikan. Sebagai contohnya,

d31 : polarisasi yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan normal yang diberikan pada arah 1, atau regangan yang terjadi dalam arah 1 per-unit medan listrik yang diberikan pada arah 3

d33 : polarisasi yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan normal yang diberikan pada arah 3, atau regangan yang terjadi dalam arah 3 per-unit medan listrik yang diberikan pada arah 3

d15 : polarisasi yang terinduksi pada arah 1 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan geser yang diberikan pada arah 2 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) atau

20

regangan geser yang terjadi dalam arah 2 per-unit medan listrik yang diberikan pada arah 1

Formula umum untuk piezoelectric charge constant adalah TEskd ε= (46)

Dan jika diterapkan pada konstanta yang disebutkan diatas menjadi

33113131TEskd ε=

33333333TEskd ε=

11551515TEskd ε=

dimana d : piezoelectric charge constant (C/N) k : electromechanical coupling factor s : elastic compliance (m2/N) ε : permittivity (f/m) b. Piezoelectric Voltage Constant

Piezoelectric voltage constant, g, adalah medan listrik yang dibangkitkan oleh material piezoelectric per-unit tegangan mekanik yang diberikan, atau regangan mekanik yang ditunjukkan oleh material piezoelectric per-unit perpindahan listrik yang diberikan. Sebagai contohnya,

g31 : medan listrik yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per unit tegangan normal yang diberikan pada arah 1, atau regangan yang terjadi dalam arah 1 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 3

g33 : medan listrik yang terinduksi pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan normal yang diberikan pada arah 3, atau regangan yang terjadi dalam arah 3 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 3

21

g15 : medan listrik yang terinduksi pada arah 1 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) per-unit tegangan geser yang diberikan pada arah 2 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen) atau regangan geser yang terjadi dalam arah 2 per-unit perpindahan listrik yang diberikan pada arah 1

Formula umum untuk piezoelectric voltage constant adalah Tdg ε/= (47)

Dan jika diterapkan pada konstanta yang disebutkan diatas menjadi

333131 / Tdg ε=

333333 / Tdg ε=

111515 / Tdg ε=

dimana g : piezoelectric voltage constant (Vm/N) d : piezoelectric charge constant (C/N) ε : permittivity (f/m) c. Permittivity

Permittivity atau dielectric constant, ε, untuk material piezoelectric adalah perpindahan dielectric per-unit medan listrik. εT adalah permittivity pada tegangan konstan, ε S adalah permittivity pada regangan konstan. Sebagai contohnya,

11Tε : permittivity untuk perpindahan dielectric dengan

medan listrik pada arah 1 (tegak lurus terhadap arah polarisasi elemen), pada kondisi tegangan konstan

33Sε : permittivity untuk perpindahan dielectric dengan

medan listrik pada arah 3 (paralel terhadap arah polarisasi elemen), pada kondisi regangan konstan.

Konstanta relatif dielectric, K, adalah perbandingan dari konstanta ε yaitu banyaknya muatan listrik yang tersimpan pada

22

material piezoelectric, relatif terhadap konstanta dielectric absolut ε0 yaitu banyaknya muatan listrik yang tersimpan pada elemen piezoelectric dalam kondisi vacuum (ε0 = 8.85x10-12 farad/ meter).

d. Elastic Compliance

Elastic compliance, s, adalah regangan yang dihasilkan oleh material piezoelectric per-unit tegangan yang diberikan. Jika sE adalah compliance pada kondisi medan listrik konstan, sD adalah compliance pada kondisi perpindahan electric konstan. Elastic compliance merupakan kebalikan dari modulus elastisitas (Young’s Modulus).

11Es : compliance elastis untuk tegangan arah 1 (tegak

lurus terhadap arah keramik yang terpolarisasi elemen) dan (dengan demikian menunjukkan) regangan arah 1, pada kondisi medan listrik konstan (short circuit)

33Ds : compliance elastis untuk tegangan arah 3 (paralel

terhadap arah polarisasi elemen) dan (dengan demikian menunjukkan) regangan arah 3, pada kondisi perpindahan elektrik konstan (open circuit)

Jika persamaan diatas diterapkan untuk subscript 11 dan 33 menjadi

1111

1D

D

Ys =

1111

1E

E

Ys =

33

331D

D

Ys =

3333

1E

E

Ys =

Formula umum untuk elastic compliance

adalah 2

1

υ=s

dimana s : elastic compliance (m2/N) υ : kecepatan suara pada material keramik (m/s) Y : young’s modulus (N/m2)

23

e. Young’s Modulus

Seperti pada material solid yang lainnya, keramik piezoelectric mempunyai sifat kekakuan mekanik yang ditentukan oleh Young’s modulus. Young’s modulus adalah rasio tegangan (gaya per-unit luasan) terhadap regangan (perubahan panjang per-unit panjang).

Karena tegangan mekanik pada keramik menghasilkan respon listrik yang ‘dilawan’ oleh regangan yang terjadi, maka Young’s modulus efektif untuk elektroda short circuit lebih rendah dibandingkan dengan Young’s modulus untuk elektroda open circuit. Berkenaan dengan hal tersebut, dalam mengekspresikannya arah dan kondisi electric harus dispesifikasikan.

33EY : rasio tegangan terhadap regangan pada arah 3

dengan kondisi medan listrik konstan untuk short circuit

33DY : rasio tegangan terhadap regangan pada arah 3

dengan kondisi medan listrik konstan untuk open circuit

55EY dan 55

DY : rasio tegangan geser terhadap regangan geser pada arah 2, masing-masing untuk short circuit dan open circuit

f. Electromechanical Coupling Factor

Electromechanical coupling factor, k, merupakan indikator efektifitas material piezoelectric dalam mengubah energi listrik ke energi mekanik atau mengubah energi mekanik ke energi listrik. k disertai dua buah subscript, dimana dalam hal direct effect subscript pertama menunjukkan arah energi listrik yang dihasilkan dan subscript kedua menunjukkan arah dari energi mekanik yang diberikan.

Nilai k tergantung pada spesifikasi yang diberikan oleh supplier keramik, yang merupakan nilai maksimum secara teoritis. Pada frekuensi rendah, elemen piezoelectric keramik

24

tertentu dapat mengubah 30%-75% dari energi yang diberikan padanya ke bentuk lain; tergantung pada komposisi material piezoelectric dan arah pembebanan yang diberikan. Nilai k tinggi, yang mencerminkan efisiensi konversi energi, pada umumnya tidak memperhitungkan dielectric losses atau mechanical losses. Ketelitian pengukuran efisiensi ditentukan berdasar pada rasio konversi energi, yaitu energi yang dapat dihasilkan oleh elemen piezoelectric terhadap total energi yang diberikan pada elemen. Berdasar pada pengukuran tersebut, elemen piezoelectric dengan desain sistem yang baik dapat menghasilkan efisiensi mencapai 90%.

Perlu diperhatikan bahwa dimensi dari elemen keramik mempengaruhi persamaan k yang digunakan. Misalnya, untuk keramik piezoelectric berbentuk piringan tipis (thin disc) dikenal adanya planar coupling factor, kp, yang menyatakan hubungan antara medan listrik yang paralel terhadap arah polarisasi elemen keramik (arah 3) dengan efek mekanik yang menghasilkan getaran radial relatif terhadap arah polarisasi (arah 1 dan arah 2). Disamping itu ada thickness coupling factor, kt, yang merupakan persamaan khusus untuk k33, yang menyatakan hubungan antara medan listrik arah 3 dengan getaran mekanik pada arah yang sama. Faktor kt tersebut dikenal pula pada pelat piezoelectric yang memiliki dimensi permukaan yang relatif lebih besar dibandingkan dengan dimensi tebal. Elemen piezoelectric dengan bentuk ini memiliki frekuensi resonansi pada arah ketebalan yang lebih tinggi nilainya dibandingkan dengan frekuensi resonansi pada arah transversal (permukaan). Faktor kt lebih rendah daripada k33, karena adanya kontraksi atau ekspansi pada tebal elemen sebagai akibat terjadinya getaran transversal dengan amplitudo besar pada frekuensi resonansi.

Pada batang keramik langsing (thin rod, panjang > 10 x diameter) digunakan k31 untuk menyatakan faktor hubungan antara medan listrik pada arah 3 dengan getaran longitudinal pada arah 1, atau digunakan k33 untuk menyatakan faktor hubungan

25

antara medan listrik pada arah 3 dengan getaran longitudinal pada arah 3. Formula electromechanical coupling factor untuk frekuensi eksitasi rendah / kondisi statis, misalnya :

pelat keramik � ( )33112

312

31 / TEsdk ε=

piringan keramik �

( )( )3312112

312 /2 TEE

p ssdk ε+=

batang keramik � ( )33332

332

33 / TEsdk ε=

Formula electromechanical coupling factor untuk

frekuensi eksitasi tinggi, misalnya : pelat keramik �

( )( ) ( ) ( )( )[ ]

( )( ) ( ) ( )( )[ ]mmnmn

mmnmn

fffff

fffffk

/2tan/2/1

/2tan/2/231 ππ

ππ+

−=

(50a) piringan keramik �

( )( ) ( )( )[ ]22 //51.2 nmnnmnp ffffffk −−−≅

batang keramik �

( )( ) ( ) ( )( )[ ]mmnmn fffffk /2tan/2/233 −= ππ

untuk material piezoelectric yang tidak disebutkan formulanya, digunakan bentuk umum �

( ) 2222 / nmneff fffk −=

dimana k : electromechanical coupling factor d : piezoelectric charge constant (C/N) s : elastic compliance (m2/N) ε : permittivity (f/m) fm : frekuensi impedan minimum (Hz) fn : frekuensi impedan maksimum (Hz)

26

g. Frequency Constant Elemen keramik piezoelectric yang bergetar pada

frekuensi resonansi fs (frekuensi resonansi planar dan radial berimpit dengan fs) ditandai oleh osilasi medan listrik yang tinggi. Pada saat elemen piezoelectric bergetar pada frekuensi resonansi, terjadi impedan (hambatan) minimum.

Konstanta frekuensi mode radial Np, menunjukkan hubungan antara fs dengan diameter elemen keramik D menurut

φDfN sP =

Konstanta frekuensi mode ketebalan NT, menunjukkan

hubungan antara fs dengan dimensi tebal elemen keramik h menurut hfN sT =

Konstanta frekuensi mode longitudinal NL, menunjukkan

hubungan antara fs dengan panjang elemen keramik l menurut lfN sL =

dimana N : frequency constant (Hz-m) fs : frekuensi resonansi (Hz) φD : diameter elemen (m)

h : tebal elemen (m) l : panjang elemen (m) Persamaan-persamaan diatas dapat digunakan juga untuk mencari konstanta frekuensi dengan getaran longitudinal arah 1 atau getaran longitudinal arah 3. Dibawah ini terdapat tabel dari koefisien-koefisien piezoelectric

27

Tabel 2.2 Data Teknis Beberapa Jenis Piezoelectric Material

28

Tabel 2.3 Perbandingan Parameter pada PVDF dan Copolymer

Dari pembahasan diatas dapat dihitung energi yang dihasilan suatu piezoelectric material sebagai fungsi dari koefisien piezoelectric. Pada pembahasan sebelumnya dikatakan bahwa modulus Young merupakan salah satu parameter yang penting, modulus Young dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut

Dengan : F = gaya (N) A = luas permukaan elemen (m2) L= panjang elemen (m) Dan besarnya potensial elastisitas dari elemen digunakan persamaan berikut ini

Dengan : Lo = panjang elemen (m) Ao = luas permukaan elemen (m2) Maka akan dapat dihitung energi yang dibangkitkan dari elemen piezoelectric yaitu : Energi = (koefisien piezoelectric).ue

Energi = dij . ue = [N.m] = [Joule] Bila dibagi selang waktu tertentu akan menghasilkan daya dari elemen piezoelectric dalam satuan Watt. Daya = dij . ue / t = [N.m.t-1] = [Joule / 2.4.3 Karakteristik Elemen Keramik Piezoelectric

Pada frekuensi masukan yang rendah hubungan antara gaya yang diberikan pada elemen keramik piezoelectric medan listrik atau arus yang dihasilkan elemen adalah Efek mekanik dESTs +=⇒ Efek elektrik EdTD ε+=⇒

29

Dari pembahasan diatas dapat dihitung energi yang sebagai fungsi dari

. Pada pembahasan sebelumnya dikatakan bahwa modulus Young merupakan salah satu parameter yang penting, modulus Young dapat dihitung dengan menggunakan

Dan besarnya potensial elastisitas dari elemen digunakan

Maka akan dapat dihitung energi yang dibangkitkan dari elemen

Bila dibagi selang waktu tertentu akan menghasilkan daya dari

s] = [Watt]

Piezoelectric Pada frekuensi masukan yang rendah hubungan antara

piezoelectric dan medan listrik atau arus yang dihasilkan elemen adalah

30

dimana s : strain S : elastic compliance (m2/N) T : Stress (N/m2) d : piezoelectric charge constant (C/N) E : electric field (V/m) D : electrical polarization (C/m2) ε : permittivity (f/m) Hubungan antara voltase atau medan listrik yang diberikan dengan dimensi elemen keramik piezoelectric (tebal, panjang, atau lebar) adalah Vdh 33=∆

EdS 33=

Edll 31/ =∆

Edww 31/ =∆

dimana ∆h : perubahan tinggi (ketebalan) dari elemen piezoelectric (m) ∆l : perubahan panjang dari elemen piezoelectric (m) ∆w : perubahan lebar dari elemen piezoelectric (m) l : panjang awal dari elemen piezoelectric (m) w : lebar awal dari elemen piezoelectric (m) h : ketebalan awal dari elemen piezoelectric (m) V : voltase yang diberikan (V)

S : regangan arah ketebalan = h

h∆

Gambar 16 memperlihatkan hubungan antara impedan dengan frekuensi. Pada sebuah elemen piezoelectric yang diberi

31

eksitasi dengan frekuensi siklus yang berubah (bertambah) nilainya, maka osilasi elemen akan maksimum pada saat frekuensi mencapai nilai yang mempunyai impedan minimum (admitansi maksimum). Frekuensi tersebut disebut sebagai frekuensi resonansi. Kemudian dengan menaikkan frekuensinya lebih jauh, impedan akan meningkat dan akan mencapai nilai maksimum (admitansi minimum), yang disebut sebagai frekuensi anti resonansi (anti-resonance frequency).

Gambar 2.14 Impedan Sebagai Fungsi Frekuensi

Frekuensi yang berkaitan dengan nilai impedan minimum (atau maksimum) dapat digunakan untuk menentukan electromechanical coupling factor k, sebagai indikator keefektifan material piezoelectric dalam mengubah energi listrik menjadi energi mekanik atau energi mekanik menjadi energi listrik. Dalam hal ini, k tergantung pada mode getaran dan bentuk elemen keramik. Perlu diingat bahwa dielectric losses dan mechanical losses mempengaruhi effisiensi konversi energi,

32

dimana dielectric losses biasanya lebih signifikan dibandingkan dengan mechanical losses. Elemen keramik piezoelectric yang ditempatkan pada medan listrik yang berubah akan ikut berubah dimensinya sesuai dengan siklus frekuensi medannya. Frekuensi resonansi adalah frekuensi dimana elemen memiliki respon getar maksimal, dan memiliki efisiensi yang tertinggi dalam mengubah dari energi mekanik ke energi listrik. Komposisi keramik, bentuk dan volume dari elemen keramik menentukan frekuensi resonansi. Umumnya elemen lebih tebal mempunyai frekuensi resonansi yang lebih rendah dibandingkan dengan elemen yang lebih tipis untuk bentuk dan material yang sama.

(Dengan mengacu pada Gambar 16.) Saat frekuensi dinaikkan, osilasi elemen menuju respon yang berkenaan dengan frekuensi yang mempunyai impedan minimum (admitan maksimum). Minimum impedance frequency fm mendekati series resonance frequency fs, yaitu frekuensi yang mempunyai impedan sirkuit elektrik pada elemennya adalah nol, jika hambatan yang disebabkan mechanical losses diabaikan. Minimum impedance frequency disebut juga resonance frequency fr. Ketika frekuensi dinaikkan lagi (sampai melewati frekuensi resonansi), impedan akan meningkat dan mencapai maksimum (minimum admittance). Maximum impedance frequency fn akan mendekati parallel resonance frequency fp, yaitu frekuensi yang mempunyai hambatan paralel pada sirkuit elektrik yang (secara teoritis) tak terbatas, jika hambatan yang disebabkan mechanical losses diabaikan. Maximum impedance frequency disebut juga anti-resonancy frequency fa. Nilai minimum impedance frequency fm dan maximum impedance frequency fn pada sebuah elemen piezoelectric dapat ditentukan dengan pengukuran. Pada umumnya, respon (maksimum) dari elemen akan terjadi diantara fm dan fn.

33

2.4.4 Aplikasi Pemakaian Piezoelectric Material Piezoelectric material telah banyak digunakan dalam

berbagai peralatan dalam kehidupan manusia. Berbagai penggunaan piezoelectric material dapat dikelompokkan sebagai berikut:

- Sebagai generator Piezoelectric material mampu membangkitkan tegangan listrik yang cukup tinggi jika dikenai tegangan mekanik sehingga karateristik tersebut bisa diambil untuk menjadikan fungsi piezoelectric material sebagai generator (pembangkit listrik). Beberapa gambar di bawah ini adalah contoh penggunaan piezoelectric material sebagai pembangkit tegangan listrik.

Gambar 2.15 Piezoelectric material pada korek api dan

ignitor

34

Gambar 2.16 Piezoelectric material sebagai

transformator

Pada gambar 2.15 merupakan contoh penggunaan piezoelectric material pada korek api dan ignitor, kemampuan menghasilkan tegangan listrik bahkan percikan bunga listrik dimanfaatkan untuk menyalakan api. Sedangkan pada gambar 2.16 merupakan contoh penggunaan piezoelectric material sebagai transformatot atau penguat tegangan listrik yang memiliki beberapa keunggulan dibandingkan tranformator magnetik yaitu : ukuran lebih kesil, lebih ringan, effisiensi lebih tinggi dan menghasilkan tingkat kebisingan yang lebih rendah.

- Sebagai sensor Karakteristik piezoelectric material yang mampu membangkitkan listrik jika dikenai tegangan mekanik juga dimanfaatkan untuk mengkonversi tegangan mekanik yang berasal dari parameter fisik seperti percepatan atau tekanan menjadi sinyal elektrik sehingga fungsi dari piezoelectric material tersebut sebagai sensor. Beberapa contoh penggunaannya dapat dilihat pada gambar 2.16 di bawah ini.

35

Gambar 2.17 Piezoelectric material sebagai sensor

- Sebagai aktuator

Piezoelectric sebagai aktuator mengkonversi sebuah sinyal listrik menjadi displacement terkontrol yang sangat presisi untuk mengatur kebutuhan presisi yang sangat tinggi pada alat-alat permesinan, lensa atau cermin. Beberapa contoh penggunaan piezoelectric sebagai aktuator yaitu pada mesin printer, aktuator ukuran nano dan sebagainya. Salah satu contohnya dapat dilihat pada gambar 2.17 di bawah ini.

36

Gambar 2.18 Piezoelectric sebagai aktuator pada nozzle

mesin printer.

- Sebagai tranduser Piezoelectric tranduser mengkonversi energi listric menjadi energi getaran mekanik seperti gelombang suara atau gelombang suara frekuensi tinggi. Sebuah tranduser mampu membangkitkan sebuah gelombang suara frekuensi tinggi dari energi listrik dan sebaliknya juga mampu mengkonversi gelombang suara yang ditangkap menjadi sinyal listrik. Contoh penggunaannay yaitu sebagai tranduser probe dan dapat dilihat pada gambar 2.18 di bawah ini.

Gambar 2.19 Piezoelectric sebagai tranduser probe pada

alat ultrasonografi (USG)

37

Beberapa penggunaan piezoelectric material seperti tersebut diatas adalah penggunaan yang telah dilakukan. Karakteristik unik dari piezoelectric material tersebut masih menyimpan banyak potensi pemanfaatan di masa yang akan datang. Banyak peneliti yang melakukan riset untuk memanen energi dari tiap gejala alam ataupun dari aktivitas tubuh manusia. Di masa yang akan datang diharapkan akan tercipta peralatan yang energinya bersumber dari manusia itu sendiri.

38

(halamaninisengajadikosongkan)

39

BAB III METODOLOGI

3.1 Tahapan – Tahapan Pengerjaan Tugas Akhir Secara Global 3.1.1 Tahap Pengumpulan Data dan Informasi

Pada bagian ini meliputi pengumpulan segala literatur dan buku-buku referensi yang ada kaitannya dengan konsep mekanika getaran, piezoelectric material dan pengaruhnya. Literatur yang dipelajari selama pengerjaan tugas akhir dapat berupa tugas akhir yang pernah ada, literatur, katalog, journal, proceeding dan buku teks. 3.1.2 Penentuan Permodelan Mekanisme Pada Tugas akhir ini hasil yang diinginkan adalah bagaimana mengetahui voltase bangkitan dan daya yang dihasilkan pada suatu piezoelectric material yang dikenai variasi pembebanan tekan frontal dan lateral dalam bentuk getaran harmonik dengan besar dan frekuensi yang ditentukan. Oleh karena itu permodelan yang akan dilakukan adalah menggunakan pegas (spring) yang akan mengalami perubahan panjang dalam fungsi berupa gerak harmonik. Perubahan panjang inilah yang kemudian akan menjadi gaya tekan pada piezoelectric material dan menimbulkan voltase bangkitan. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

40

Gambar 3.1 Permodelan Mekanisme 3.1.3 Perencanaan Pengujian Dari Permodelan Pengujian yang telah direncanakan, selanjutnya akan disusun bagaimana cara mendapat mekanisme seperti yang telah dimodelkan sebelumnya. Langkah yang diambil yaitu untuk mendapatkan gerak harmonik dari pegas akan digunakan disk eksentris dengan amplitudo 15mm yang akan diputar dengan voltase yang divariasikan.

Kemudian untuk mengetahui voltase bangkitan akan digunakan oscilloscope. Untuk mendapatkan daya yang dihasilkan, maka arus yang dihasilkan harus diukur juga. Oleh karena itu agar bisa mengukur arus, pada mekanisme akan dibuat rangkaian sederhana. Sehingga pengukuran akan dilakukan seperti gambar berikut:

x = A.Sin ωt

Pegas

(Spring)

Piezoelectric Material

θ = ωt

P Slotted

Rod

41

x1

x2

x

1 x

2

2

A

Gambar 3.2 Model Disk Eksentrik yang Akan Digunakan dan Simulasi Gerak Harmonis yang Ditimbulkan.

Gambar 3.3 Metode Pengukuran ( A ) Voltase Bangkitan ( B ) Arus pada piezoelectric material

Piezo Material

Oscilloscope

( A ) ( B )

42

3.1.4 Perancangan dan Pembuatan Mekanisme Setelah ditentukan permodelan mekanisme dan perencanaan pengujian yang akan dilakukan, langkah selanjutnya adalah merancang bagaimana merealisasikan rancangan atau desain tersebut. Adapun rancangan mekanisme yang telah direncanakan adalah sebagai berikut :

Gambar 3.4 Rancangan Mekanisme yang Akan Diukur Dengan

Oscilloscope

Kotak Penekan

Motor

Penggerak

43

Gambar 3.5 Mekanisme Kotak Penekan Piezoelectric

3.1.5 Pengujian Mekanisme

Pengujian akan dilakukan setelah mekanisme telah selesai dibuat. Mekanisme harus berjalan sesuai permodelan, jika tidak maka diperlukan Permodelan kembali, dan kemudian melakukan perubahan pada perencanaan pengujian dan pada mekanisme. Perbaikan akan terus dilakukan hingga tercapai kondisi yang sangat mendekati permodelan awal.

44

Gambar 3.6 Pengujian Mekanisme Alat Uji Tekan Piezoelectric

3.1.6 Pengambilan Data dan Perhitungan Teoritis

Apabila Mekanisme sudah memenuhi permodelan awal, maka pengambilan data berupa voltase bangkitan dan arus dapat dilakukan. Berbagai variasi yang akan dilakukan adalah jenis pembebanan tekan, frekuensi, dan putaran dari motor DC.

Tidak lupa perhitungan secara teoritis juga akan dilakukan. Hal ini dilakukan dengan tujuan untuk membandingkan antara hasil secara praktik dengan secara teoritis. Sehingga apabila terjadi perbedaan yang sangat jauh, berarti terdapat suatu kesalahan dalam mekanisme, maupun dalam proses pengambilan data. Dengan demikian bila ada kesalahan dapat segera diatasi.

45

3.1.7 Analisa dan Pembahasan Setelah dilakukan pengambilan data dan perhitungan

teoritis maka peril dilakukan analisa dan pembahasan. Dalam analisa dan pembahasan akan ditentukan jenis pembebanan yang paling efektif dan memiliki voltase bangkitan dan arus yang paling besar.

3.1.8 Kesimpulan

Dalam kesimpulan akan diberikan analisa fenomena apa yang terjadi dari tugas akhir dan bagaimana tren yang ada dari sejumlah data yang diambil. Dengan memiliki data yang diambil langsung secara praktik dan data yang didapat dari perhitungan teoritis, maka kita akan mendapatkan perbedaan dari kedua data tersebut. Dan dari perbedaan tersebut akan dapat dicari penyebab perbedaan tersebut.

46

3.2 Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir Tahap – tahap pengerjaan tugas akhir yang akan

dilaksanakan dapat dilihat pada diagram alir di bawah ini :

Gambar 3.7 Diagram Alir Tugas Akhir

47

3.3 Diagram Alir Rancang Bangun Tahap – tahap perancangan bangun yang akan dilaksanakan

dapat dilihat pada diagram alir di bawah ini :

Gambar 3.8 Diagram Alir Rancang Bangun

S ta r t

S tu d i L it e r a tu r

P e n e n tu a n M e k a n is m e A la t

P e m i l ih a n P e g a s d a n M o to r

P e m b e lia n A la t d a n B a h a n

P r o s e s P e m e s in a n

P e n im b a n g a n M a s s a A la t

P e r c o b a a n M e k a n is m e

P e n g a m b ila n D a ta

P e r a k ita n A la t

F in is h

G a g a l

B e r h a s il

48

3.4 Diagram Alir Pengambilan Data Tahap – tahap pengambilan data yang akan dilaksanakan

dapat dilihat pada diagram alir di bawah ini :

Gambar 3.9 Diagram Alir Pengambilan Data

Mulai

Persiapan Peralatan

Pasang disk = 15 mm ke motor DC

Frontal

Pasang Piezoelectric

Lateral

Sambungkan Motor DC ke Adaptor

Nyalakan Osciloscope

Atur Kecepatan Motor n = 100rpm

Sambungkan Probe Osciloscope dengan Piezoelectric

Nyalakan Motor

Ambil Data Stroboscope

Ambil Data Oscilloscope Sebanyak 3 Kali

Matikan Motor

Matikan Osciloscope, Stroboscope

Selesai

Sambungkan Probe Osciloscope dengan Piezoelectric

Nyalakan Motor

Ambil Data Stroboscope

Ambil Data Oscilloscope Sebanyak 3 Kali

n = 400rpm

n = n + 50

Perbandingan Voltase Bangkitan Antara Penekanan Arah Frontal

dan Lateral

49

3.5 Jadual Pengerjaan Tugas Akhir Pengerjaan Tugas Akhir ini direncanakan selama kurang

lebih enam bulan. Tabel berikut ini adalah jadual perencanaan pengerjaan, yaitu :

Tabel 3.1 Jadual Rencana Pengerjaan Tugas Akhir

No Kegiatan Bulan ke-

1 2 3 4 5 6

1 Konsultasi, Pengumpulan Data dan Informasi

2 Penentuan Permodelan Mekanisme

3 Perencanaan Pengujian

4 Perancangan dan Pembuatan Mekanisme

5 Pengambilan Data dan Perhitungan Teoritis

6 Analisa Hasil

7 Penyusunan Laporan

8 Presentasi Hasil

50

(halamaninisengajadikosongkan)

79

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1 Kesimpulan

Dari pembahasan hingga analisa data yang telah didapatkan, dapat disimpulkan bahwa:

1. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan piezoelectric dengan arah pembebanan lateral mampu membangkitkan voltase lebih tinggi dibandingkan dengan arah pembebanan frontal karena tinggi piezoelectric yang ditekan berbanding lurus dengan voltase bangkitan yang dihasilkan. Maka semakin tinggi piezoelectric yang dikenai gaya tekan maka voltase bangkitan yang dihasilkan akan semakin besar.

2. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan piezoelectric dengan arah pembebanan frontal mampu membangkitkan arus lebih tinggi dibandingkan dengan arah pembebanan lateral karena semakin tipis piezoelectric maka ion-ion akibat polarisasi bergerak lebih bebas dan banyak dibandingkan dengan piezoelectric yang lebih tinggi sehingga arus yang dihasilkan juga lebih tinggi.

3. Dari hasil perhitungan dan pengukuran didapatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor maka voltase bangkitan yang dihasilkan juga semakin besar.

4. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa semakin besar kecepatan putaran motor maka arus yang dihasilkan akan semakin besar karena semakin besar kecepatan putaran motor maka defleksi yang terjadi pada piezoelectric juga terjadi semakin intens.

80

5.2 Saran Beberapa saran yang dapat diajukan untuk memperbaiki

pengujian dalam tugas akhir ini antara lain: 1. Pengambilan data yang dilakukan hendaknya lebih

disempurnakan dengan posisi peletakan piezoelectric yang disempurnakan sesuai literatur, penggunaan kabel dengan hambatan yang kecil, perakitan antara kabel dan piezoelectric yang baik dan penggantian karet silicon dengan material yang lebih baik untuk menghasilkan peregangan yang maksimal.

2. Pengambilan data dilakukan dengan lebih banyak dan lebih lengkap lagi.

3. Hendaknya dilakukan perhitungan komponen elektronik yang digunakan untuk mengubah voltase bangkitan yang fluktuatif agar menjadi stabil.

81

DAFTAR PUSTAKA D. Dimargonas, Andrew, “Vibration for Engineers”, Prentice

Hall PTR, New jersey, 2002. Ferdinand, “Vector Mechanics – Kinematics & Dynamics” Sixth

Edition. McGraw-Hill, New York,2003. Kinbrell, Jack T., “Kinematics Analysis and Synthesis”,

McGraw-Hill Inc, New York, 1991. S. Rao, Singiresu, “Mechanical Vibration”, Prentice Hall PTR, Singapore, 2004. Yang, Jiashi, “An Introduction To The Theory of

Piezoelectricity”, Springer Science+Business Media Inc., Boston. 2005.

Tichi, Jan, “Fundamental of Piezoelectric Sensorics”, Springer

Science+Business Media Inc., Boston. 2010.

BIOGRAFI PENULIS

Andy Noven Krisdianto – lahir 1 November 1987 di kota Jember – Jawa Timur adalah anak pertama dari tiga besaudara pasangan Totok Mardianto dan K. Budi Purwanti. Mulai mengenyam pendidikan di SD Jember Lor 2 (1993 – 1999), SMP Negeri 2 Jember (1999 – 2002), SMA Negeri 1 Jember (2002 – 2005), dan kemudian melanjutkan ke Politeknik Negeri Malang dan mengambil Program Sarjana Lintas

Jalur di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2008 dan mengambil jurusan yang didambakan sejak kecil, yaitu jurusan Teknik Mesin – FTI ITS dengan NRP 2108 100 602 dan menyelesaikannya pada Juli 2011. Di jurusan Teknik Mesin penulis memilih bidang Studi Desain. Penulis memiliki hobi olahraga, main game, dan menggambar. Keinginan untuk mengamalkan dan mengaplikasikan ilmu yang didapat selama kuliah, mendorong penulis untuk mengabil topik tugas akhir “Studi Karakteristik Energi yang Dihasilkkan Mekanisme Vibration Energy Harvesting dengan Metode Piezoelectric untuk Pembebanan Frontal dan Lateral”.Penulis dapat dihubungi melalui email dengan alamat

noven.andy@yahoo.com atau noven.andy@gmail.com

A. Lampiran

A.1 Gambar Osiloskop

A.1.1 Frontal

100rpm

150rpm

200rpm

250rpm

300rpm

350rpm

400rpm

A.1.2 Lateral

100rpm

150rpm

200rpm

250rpm

300rpm

350rpm

400rpm

BAB I PENDAHULUAN

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

BAB III METODOLOGI

BAB IV ANALISA DATA DAN PERHITUNGAN

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

DAFTAR ISI

DAFTAR GAMBAR

DAFTAR TABEL

ABSTRAK

KATA PENGANTAR

TENTANG PENULIS

TUGAS AKHIR- TM091486

Dosen Pembimbing : Prof. Ir. I N. Sutantra, M.Sc., Ph.D.

PROGRAM SARJANA BIDANG KEAHLIAN DESAIN

JURUSAN TEKNIK MESINFAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBERSURABAYA

2011

STUDI KARAKTERISTIK ENERGI YANG DIHASILKMEKANISME VIBRATION ENERGY HAR

METODE PIEZOELECTRIC UNTUK PEMBEBANAN FRODAN LATERAL

TM091486

KEAHLIAN DESAIN JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

ENERGI YANG DIHASILK AN VIBRATION ENERGY HARVESTING DENGAN

UNTUK PEMBEBANAN FRO NTAL

Andy Noven Krisdianto. SB Nrp.2108100602