Perancangan dan Pembuatan Rectifier Penguat DC 30 KV untuk Optimasi Polling pada Film Tipis PVDF
Design and Development of 30 KV DC Rectifier Amplifier for Polling Optimization on PVDF Thin Film
Ambran Hartono 1 * ) , Mitra Djamal 2 , Suparno Satira 2 , Herman Bahar 2 , Ramli 3 dan Dadang 2 1 Jurusan Fisika, FST UIN Syarif Hidayatullah Jakarta
2 Jurusan Fisika, FMIPA Institut Teknologi Bandung
3 Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Negeri Padang
*) Email: ambranhartono@yahoo.com

## ABSTRACT
DC  high  voltage  amplifier  is  one  of  the  important  components  to  support  of  PVDF  thin  films polling equipment. Hardware polling is a very important tool in the characterization of PVDF thin films to increase piezoelectric properties. The existence of the problem will be difficult to obtain a high voltage DC sources of lead in the market encouraged us to design and create high-voltage DC source. In research that has been done I've been able to design and create high-voltage amplifier 30 KV DC as a producer of high electric field. To validate the performance of this high voltage DC amplifier  has  created  further  testing  and  measuring  the  output  voltage.  Testing  is  performed  to determine precision, accuracy and stability of the output voltage of the amplifier for more than 60 minutes. From the test results and output measurements performed show that the relative error of 4.5%. Tool output stability is good enough for a span of 30 minutes. This indicates that the design and manufacture of high DC voltage gain have been successful.
Keywords: DC Amplifier, electric field, high voltage, polling, PVDF Film

## PENDAHULUAN
Poling  Termal  merupakan  suatu  metode pemberian  medan  listrik  tinggi  pada  sampel film  tipis.  Sistem  poling  ini  adalah  salah  satu metode  transformasi  fasa  pada  PVDF. Pemberian  medan  listrik  tinggi  ini  dilakukan untuk mempengaruhi orientasi dipol listrik fasa α sehingga  menjadi  polar,  Kawai  (1975). Adapun  metode  poling  termal  sendiri  yaitu metode  poling  yang  dilakukan  dengan memberikan  medan  listrik  yang  tinggi  pada temperatur  tinggi  sampai  selang  waktu  yang ditentukan  kemudian  temperatur  diturunkan secara  berkala  hingga  temperatur  kamar. Temperatur  dalam  metode  ini  dipakai  pada temperatur  di  bawah  melting  point  polimer yang dipakai dalam hal ini PVDF. Temperatur ini  digunakan  agar  mobilitas  gerak  internal molekul  cukup  tinggi  dan  bebas  bergerak sehingga memudahkan untuk mengorientasikan diri  menjadi  fasa  polar  yang  diinginkan,  Fadli (2012).
Pemberian  medan  listrik  yang  tinggi  ini merupakan salah satu faktor untuk
meningkatkan sifat piezoelektrik dari film tipis PVDF.    Sifat  piezo  elektrik  ini  mencirikan kualitas  film  tipis  PVDF.  Semakin  baik  sifat piezoelektrik  film  PVDF  maka  akan  semakin baik  pula  kualitas  film  PVDF  untuk  dijadikan sebagai material transduser piezoelektrik.
Instrumen pendukung yang berperan sangat penting  pada  alat  poling  termal  ini  adalah sumber penghasil penguat tegangan tinggi DC. Sampai  saat  ini  justru  sangat  sulit  untuk mendapatkan  sumber  penghasil  penguatan tinggi DC dipasaran.  Karena permasalahan ini dan pentingnya instrument ini mendorong kami untuk  merancang  dan  membuat  rectifier penguat DC tegangan tinggi 30 KV.

## Poling Termal
Das  Gupta  dkk.  Pada  tahun  1979  sendiri mengatakan  bahwa  perubahan  orientasi  fasa α menjadi  fasa β terjadi  dengan  pemberian medan  listrik  tinggi  sebesar  3  MV/cm. Sedangkan,  Hidayat  Kurnia  (1998),    dalam penelitian  tugas  akhirnya  menggunakan tegangan  1  kV  dengan  kekuatan  medan  listrik 0,38  MV/cm.  Sehingga  hasil  penelitian  yang
didapat  tidak  mendapatkan  adanya  perubahan fasa pada sampel yang ditelitinya.
Freddy  Haryanto  (1994)  memberikan kekuatan  medan  listrik  sebesar  276  ,  263,  dan 346  kV/cm  dengan  besar  tegangan  1,5  kV. Hasilnya  pun  sama,  tidak  mengalami perubahan  yang  signifikan  terhadap  polarisasi. Teta  Pratiwi  (2009)  pada  penelitiannya  juga hanya  memakai  medan  yang  kecil  dengan tegangan  maksimum  sampai  5  kV  sehingga perubahannya juga kurang signifikan.
Poling termal menggunakan suatu elektroda yang dengan tujuan untuk menginduksi muatan supaya merata pada sampel untuk mengorientasikan  dipole-dipolnya.  Desain penentuan  elektroda  disini  sangat  perlu diperhatikan,  Fadli  (2012).  Secara  skematik kondisi  poling  pada  sampel  diperlihatkan dalam Gambar 1.

## Gambar 1 Skema poling
Bagian-bagian  penting  dari  peralatan  poling termal adalah sebagai berikut:
1. Elektroda sebagai penginduksi muatan
2. Pemanas  merupakan  sumber  pemanas pada perangkat poling
3. Power Suplai DC

## Material Piezoelektrik
Secara  sederhana,  sifat  piezoelektrik  pada material bergantung pada kemampuan material tersebut terhadap polarisasi dipol-dipolnya dan elastisitas bahan tersebut terhadap tekanan dan regangan. Broadhust dan David menyampaikan ada  beberapa  hal  yang  menentukan  syarat material  khususnya  material  polimer  untuk dapat  dikatakan  polimer  yang  memiliki  sifat piezoelektrik, antara lain yaitu [6] : 1. Keberadaan molekul dipolnya yang permanen.
2. Kemampuan mengatur/mengorientasikan molekul dipol.
3. Kemampuan menyokong penjajaran dipol.
4. Kemampuan  bahan  menyesuaikan  diri ketika  diberikan deformasi  mekanik seperti tarikan, tekanan maupun regangan.
Ada tinjauan gaya mekanik pada bahan film PVDF  ini  sehingga  dapat  timbul  efek piezoelektrik.  Tinjauan  gaya  mekanik  ini berupa strain (regangan)  piezoelektrik  dan stress (tekanan) piezoelektrik. Untuk mengetahui  tingkatan  respon  piezoelektriknya kita  melihat  besar  kecilnya  konstanta piezoelektrik  yang  dimiliki  oleh  masing- masing yaitu konstanta piezoelektrik strain (d) dan stress (g).  Konstanta strain piezoelektrik adalah  suatu  nilai strain (regangan)  mekanik yang timbul akibat adanya pemberian tegangan pada  sampel.  Sedangkan  konstanta stress piezoelektrik  adalah  suatu  nilai  tegangan  yang dihasilkan  akibat  adanya  deformasi  bahan akibat suatu stress mekanik pada bahan.
Dengan  meninjau  keberadaan suatu sampel film  yang  dibuat,  maka  akan  ada  tiga  sumbu yang akan mempengaruhi konstanta strain dan stress piezoelektrik  ini.  Film  PVDF  yang dibuat  dapat  kita  anggap  sebagai  suatu  balok yang  memiliki  panjang,  lebar  dan  tinggi. Ketiga  sumbu  yang kita  maksud terdapat pada panjang,  lebar  dan  tinggi  (dalam  hal  ini ketebalan  film).  Sumbu  1  menyatakan  arah normal  film  yang  tegak  lurus  dengan permukaan  film  dan  sejajar  dengan  ketebalan film, sumbu 2 menyatakan arah tarikan panjang film  dan  sumbu    3  merupakan  arah  tarikan lebar film seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.
Gambar 2 Sumbu-sumbu pada film PVDF
Terlihat  pada  sumbu  3  (tinggi  dari balok/sampel  film)  menandakan  ada  faktor ketebalan pada film sehingga perlu ada tinjauan mengenai  faktor  ketebalan  ini  terhadap  efek piezoelektrik  pada  film.  Vektor  polarisasi spontan  yang  terjadi  juga  bergantung  pada volume  dari  bahan  itu  sendiri.  Jika  kita  tinjau dari  medan  listrik  yang  dibutuhkan  untuk polarisasi,  maka  film  yang  tipis  akan  mudah untuk  terpolarisasi  karena  memiliki  polaritas yang besar dikarenakan volumenya yang kecil. Medan  listrik  yang  diberikan  dari  sumber
tegangan  kepada  sampel  harus  besar  jika  film itu  masih  memiliki  ketebalan  yang  tinggi  agar terjadi  polarisasi  yang  besar.  Namun,  dengan tegangan yang agak rendah akan menghasilkan medan listrik yang besar tatkala ketebalan film memiliki  orde  yang  sangat  tipis.  Hal  ini  akan sesuai  dengan  teori  pada  listrik  magnet  klasik bahwa  medan  listrik  berbanding  terbalik dengan  jarak  di  mana  dalam  hal  ini  ketebalan film.
Momen dipol listrik dapat diarahkan dengan suatu  medan  listrik.  Proses  penyearahan momen  dipol  listrik  yang  dipengaruhi  oleh medan  listrik  dari  luar  ini  disebut  dengan polarisasi.  Ketika  tidak  ada  gangguan  medan listrik  dari  luar,  maka  muatan  negatif  pada suatu  molekul  bahan  terdistribusi  merata dengan  muatan  positif  sehingga  pusat  dari keduanya  hampir  berimpit  sehingga  tidak  ada momen  dipol  yang  terjadi.  Namun,  ketika medan  listrik  dari  luar  mempengaruhi  bahan tersebut,  maka  muatan  positif  akan  terdorong ke  arah  searah  dengan  medan  listrik  dari  luar tersebut  sedangkan muatan negatif akan ditarik ke arah berlawanan dengan arah medan luarnya (Gambar  3)  sehingga  terjadi  pergeseran  arah dari  keduanya  yang  kemudian  menimbulkan momen  dipol  listrik.  Arah  momen  dipol listriknya  sendiri  searah  dengan  medan  listrik yang diberikan dari luar.
Gambar 3 Proses deformasi polarisasi sebelum adanya  medan  listrik  eksternal  dan setelah adanya medan listrik luar.
Konstanta  piezoelektrik  juga  bergantung pada  bentuk  Kristal  dan  kondisi  proses pengkutuban  yang  dilakukan.  Piezoelektrik cukup  stabil  pada  temperatur  kamar  dan temperatur  tinggi.  Aktifitas  piezoelektriknya sendiri  bergantung  pada  respon  polarisasi rimanen  yang  terkandung  pada  film  yang dibuat.

## Transformasi Fasa pada Polimer PVDF
Sifat  piezoeletrik  pada  film  PVDF  tergantung pada  banyaknya  fasa β yang  terkandung  pada
film tipis PVDF. Hasil transformasi dari fasa  ke fasa  untuk variasi temperatur diperlihatkan pada Gambar 4, Ambran (2013).
Gambar 4 Hasil XRD untuk temperatur 130 0 C s/d 170 0 C
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa fasa ini  bersifat  polar.  Oleh  karena  itu,  banyak orang  yang  memberikan  metode  bagaimana memperoleh  fasa  tersebut  melalui  pergeseran- pergeseran  fasa  atau  orang  lebih  menyebut dengan  metode  transformasi  fasa/transisi polimorfi. Ada beberapa hal yang mengakibatkan  transformasi  fasa  pada  film PVDF.  Transformasi  fasa  ini  ditinjau  dari beberapa  parameter  antara  lain  yaitu  medan listrik,  temperatur  dan  tekanan.    Ketiga parameter  ini  merupakan  sebagian  dari parameter  lain  yang  memungkinkan  dapat melakukan transformasi fasa.
Proses  transformasi  fasa  atau  transisi  jenis polimorfi  pada  PVDF  erat  kaitannya  dengan keberadaan  orientasi  dipol  pada  tiap  fasanya. Ada  beberapa  cara  yang  dilakukan  untuk menyearahkan  orientasi  dipol-dipol  tersebut. Transformasi  ini  dapat  dilakukan  secara induksi  mekanik,  panas,  listrik  serta  energi radiasi.  Beberapa  metode  transformasi  pada penyearahan  orientasi  dipol  ini  antara  lain sebagai berikut:
a. Transformasi Akibat Tekanan Tinggi Matsushige  danTakamura  melakukan percobaan mengenai
pengaruh pemanasan  di  bawah  tekanan  tinggi. Percobaan  tersebut  menunjukkan  adanya transformasi α menjadi β . Fasa α meleleh pada  titik  didih  sekitar  286˚C  dengan tekanannya  sekitar  4  kbar.  Pembentukan fasa β ini  ditunjukkan  pada  pengamatan peristiwa eksoterm pada 294˚C.
b. Transformasi Akibat Deformasi Mekanik
Penarikan  bahan  film  tipis  PVDF  dapat mengakibatkan  fasa α non  polar  berubah menjadi  fasa β yang  bersifat  polar. Penarikan  ini  misalnya  dengan  tensile tester.  Penarikan  ini  terjadi  pada temperatur  antara  50-100˚C (4) .  Nenen dkk (5) mengatakan  bahwa  pembentukan fasa β yang  lebih  dominan  dibandingkan α terjadi  pada  temperatur  penarikan antara  50°C  dan  80°C  dengan  ratio penarikan  antara  3,5  dan  6  kali  panjang semula. Pada temperatur penarikan di atas 120°C  tidak  terjadi  lagi  transformasi sempurna dari fasa α ke β .
c. Transformasi Akibat Induksi Elektrik Transformasi  jenis  ini  dilakukan  dengan cara  memberikan  induksi  elektrik  berupa medan  listrik  yang  tinggi  sehingga menyebabkan transisi fasa dari fasa α non polar  menjadi  polar.  Medan  listrik  tinggi ini  akan  mempengaruhi  orientasi  dipol listrik fasa α sehingga menjadi polar.
d. Transformasi Akibat Induksi Radiasi
Gal’perin dan Kosmynin melakukan transisi untuk fasa α dengan γ-irradiasi pada 500 Mrad atau  lebih.  Transformasi  sebagian  dari  sampel ini  menjadi fasa β . Jika  dengan pelelehan atau pelarutan  dan  rekristalisasi,  maka  fasa β akan lebih  dominan  lagi.  Transisi  ini  dapat  dilihat dari  perubahan  yang  ditunjukkan  dengan pengenalan cacat selama radiasi di mana terjadi pengurangan  tarikan  dalam  semua  konformasi
trans tetapi menyebabkan peningkatan pengaturan TGTG, Hasegawa (1972).
Dari keempat jenis penyebab adanya transformasi fasa tersebut, salah satu jenis yang akan  dipakai  pada  penelitian  ini  yaitu transformasi akibat adanya medan listrik tinggi. Metode yang akan dipakai untuk menerapkannya yaitu disebut metode pengkutuban (poling) termal. Untuk
melaksanakan  metode  polling  ini  dibutuhkan sumber  tegangan  tinggi  DC,  hal  ini dikarenakan sumber DC yang ada hanya untuk beberapa  kilovolt  saja.  Sementara  itu  untuk pengadaan  langsung  dibutuhkan  biaya  yang cukup  besar.  Dengan  alasan  inilah  dilakukan pembuatan Sumber tegangan tinggi DC 30 KV yang akan dipaparkan dalam paper ini.

## METODE
Pada  bagian  ini  kami  memaparkan  tentang bagaimana merancang
dan membuat instrument  Rectifier  penguat  tegangan  tinggi DC 30 KV.

## Disain rangkaian
Langkah-langkah  yang  dilakukan dalam disain rangkaian ini adalah sebagai berikut:
1. Besar tegangan keluaran yang diingikan
2. Mempersiapkan komponen-komponen elektronika yang dibutuhkan
3. Penghitungan  teoritik  hasil  keluaran tegangan.
4. Pembuatan rangkaian
Secara  skematik  rangkaian  rectifier  penguat tegangan  tinggi  DC  diperlihatkan  dalam Gambar 5.
Gambar 5 Skema rangkaian rectifier penguat tegangan tinggi DC

## Peralatan dan komponen yang dibutuhkan
Untuk  pembuatan  rangkaian  ini  dibutuhkan beberapa peralatan dan komponen antara lain:
1. Transformer  30  KV,  250  volt  2 Ampere volt
2. I  buah  variak  1,5  KKVA  6  Ampere 220 volt
3. 4 buah diode HVDC 30 KV 1 A
4. 1 buah Kapasitor HV 30 KV 100 pF
5. 12 buah Kapasitor HV 1 KV 5000 pF
6. Voltmeter DC 50 Volt
7. Busbar Cu 2m
8. 4 set conctor
9. Kabel bakar 20 mm, 3m
10. 4 set kabel penghubung
11. PCB circuit
12. Solder
13. Dll

## Pembuatan Rangkaian
Setelah  disain  rangkaian  dibuat  selanjutnya dilakukan pembuatan
rangkaian. Tahap pembuatan  rangkaian  dilakukan  dengan langkah-langkah adalah sebagai berikut:
1. Menyiapakan  peralatan  dan  yang dibutuhkan
2. Menempatkan perlatan dan komponen yang telah di rancang
3. Pemasangan alat dan komponen
4. Pemasangan konektor
5. Memeriksa semua alat dan komponen yang telah dipasang.
6. Menguji fungsi alat dari tiap terminal
7. Menguji keluaran
rangkaian keseluruhan.
8. Kalibrasi keluaran rangkain

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Kami  telah  berhasil  merancang  dan  membuat rangkaian rectifier penguat tegagan DC 30 KV. Rangkaian  yang  kami  buat  ditunjukkan  pada gambar 6, 7, 8.
Gambar 6 Rangkaian rectifier penguat tegangan tinggi DC 30 KV
Gambar 7 Rangkaian rectifier penguat tegangan tinggi DC 30 KV, tampak atas
Gambar 8 Rangkaian rectifier penguat tegangan tinggi DC 30 KV, tampak terkoneksi

## Hasil Pengujian Alat
Pengujian  alat  dilakukan  melalui  dua  tahapan pengujian  yaitu  pengujian  presisi  alat  dan pengujian stabilitas alat. Hasil pengujian presisi dilakukan  untuk  tegangan  input  dari  0  –  100 volt dengan membandingkan tegangan keluaran secara teori dan eksperimen (keluaran diode). Data hasil pengujian diperlihatkan pada tabel 1.
Tabel 1 Hasil pengujian keluaran tegangan dari rectifier  penguat  dan  keluaran  secara  teori untuk input 0 – 100 volt.
Input Variak (Volt) Output Teori (Volt) Output Dioda (Volt) 0 0 0 5 681,8182 164 10 1363,636 819,04 15 2045,455 1507,84 20 2727,273 2196,64 25 3409,091 2885,44 30 4090,909 3574,24 35 4772,727 4263,04 40 5454,545 4951,84 45 6136,364 5640,64 50 6818,182 6329,44 55 7500,000 7018,24 60 8181,818 7707,04 65 8863,636 8395,84 70 9545,455 9084,64 75 10227,27 9773,44 80 10909,09 10462,24 85 11590,91 11151,04 90 12272,73 11839,84 95 12954,55 12528,64 100 13636,36 13217,44
Grafik  hubungan  antara  tegangan  input  variak yang  diberikan  terhadap  tegangan  keluaran secara  teori  dan  respon  tegangan  keluaran eksperimen  (diode)  diperlihatkan  pada  gambar 9. Dari gambar 9 terlihat bahwa hasil keluaran terhadap  tegangan  input  variak  0  –  100  volt memperlihatkan  hubungan  linieritas  yang sangat  baik  dengan  kesalahan  relative  sekitar 4,5%.  Ini  mengindikasikan  bahwa  alat  yang dibuat bekerja dengan sangat baik. Pengujian selanjutnya dilakukan untuk melihat stabilitas dari alat yang telah dibuat. Pengujian dilakukan  terhadap  fluktuasi  nilai  tegangan keluaran yaitu untuk tegangan keluaran dengan input  100  volt.  Pengujian  dilakukan  untuk rentang waktu 60 menit.
Gambar 9 Tegangan output travo terhadap variasi tegangan input
Hasil  pengujian  stabilitas  keluaran  alat ditunjukkan dalam gambar 10 dibawah ini.
Gambar 10 Tegangan output Dioda terhadap lamanya waktu uji.
Dari  hasil  keluaran  uji  stabilitas  yang ditunjukkan pada gambar 10 diatas memperlihatkan  bahwa  alat  bekerja  dengan
cukup  baik  dan  cukup  stabil  dalam  rentang waktu sampai 30 menit.

## KESIMPULAN
Telah  berhasil  dibuat  rangkaian  rectifier penguatan tegangan tinggi DC. Hasil pengujian keluaran  dari  travo  dan  rangkaian  diode penyearah DC memperlihatkan hasil yang baik. Tegangan keluaran travo sebanding dengan 136 kali  tegangan  input.  Kesalahan  relative  sekitar 45%.  Stabilitas  keluaran  dari  alat  cukup  baik untuk  rentang  waktu  sekitar  30  menit.  Untuk langkah  selanjutnya  perlu  dilakukan  optimasi dari  alat  yang  dibuat  seperti  pembuatan  alat ukur dengan kalibrator.

## Ucapan Terima Kasih
Ucapan  terima  kasih  sebesar-besarnya  penulis sampaikan  kepada  “Lembaga  Penelitian  dan Pengabdian  kepada  Masyarakat  (LP2M)  UIN SYARIF  HIDAYATULLAH  JAKARTA”  atas dukungan dana pelaksanaan penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
Kawai. H, Jpn. J. Appl. Phys., 8 , 1969, 1975
F.  Rohman,  G.R.F  Suwandi,  Efriwandi,  dan  S. Satira,  2012. Pengaruh  Ketebalan  Film  dan Medan Listrik Tinggi Terhadap Jumlah Fraksi β pada Polimer Poly(vinylidene fluoride),
Prosiding  Seminar  Nasional  Material  2012, hal.
74-76
Davis,  G.  T.,  McKinney,  J.  E.,  Broadhurst,  M.  G. and Roth, S. C., J. Appl. Phys.,49, 1978, 4998 Freddy Haryanto, 1994. Pengaruh Proses Penarikan dan  Poling  terhadap  Efek  Piezoelektrik  dari sampel  Poly(vyniledene  Fluoride ),  Skripsi, Fisika ITB,
Pratiwi, Teta, 2009. Prototype Fabrikasi Film PVDF dengan  metode  Calendring  dan  Karakterisasi Strukturnya , Skripsi, Fisika ITB
Gökhan.ÖZGEN,  ME  493,  Slides  ” Introduction  to Smart  Structur  and  Materials ”,  Spring,  METU, Ankara 2013-2014
Lovinger  Andrew,  1981. Poly(vinylidene  Fluoride),
Bell Lab. New Jersey Hasegawa, R., et al, Polymer J ., 1972, 3, 600
Ambran  H,  Mitra  Djamal,  2013.  Suparno,  Herman Bahar Ramli, Edi Sanjaya, "Effect of Mechanical Treatment Temperature on Electrical Properties and  Crystallite  Size  of  PVDF  Film", Material Physics  and  Chemistry  (AMPC),  vol.  3,  2013, pp 71-76