Termokop: Perangkat yang Mengubah Panas menjadi Listrik

Electrical4u

Bidang: Listrik Dasar

China

Apa itu Thermopile

Thermopile adalah perangkat yang mengubah panas menjadi listrik dengan menggunakan efek termoelektrik.

Terdiri dari beberapa termokopel, yang merupakan pasangan kawat yang terbuat dari logam berbeda yang menghasilkan tegangan ketika terkena perbedaan suhu. Termokopel dihubungkan secara seri atau kadang-kadang paralel untuk membentuk thermopile, yang menghasilkan output tegangan yang lebih tinggi daripada satu termokopel. Thermopiles digunakan untuk berbagai aplikasi, seperti mengukur suhu, menghasilkan daya, dan mendeteksi radiasi inframerah.

Bagaimana Cara Kerja Thermopile?

Thermopile bekerja berdasarkan prinsip efek termoelektrik, yang merupakan konversi langsung perbedaan suhu menjadi tegangan listrik dan sebaliknya. Efek ini ditemukan oleh Thomas Seebeck pada tahun 1826, yang mengamati bahwa sirkuit yang terbuat dari dua logam berbeda menghasilkan tegangan ketika satu ujung dipanaskan dan ujung lainnya didinginkan.

Thermopile pada dasarnya adalah serangkaian termokopel, masing-masing terdiri dari dua kawat logam berbeda dengan daya termoelektrik besar dan polaritas yang berlawanan.

Daya termoelektrik adalah ukuran seberapa banyak tegangan yang dihasilkan oleh material per unit perbedaan suhu. Kawat-kawat tersebut dihubungkan pada dua ujung, satu panas dan satu dingin. Ujung-ujung panas ditempatkan di daerah dengan suhu yang lebih tinggi, sementara ujung-ujung dingin ditempatkan di daerah dengan suhu yang lebih rendah. Perbedaan suhu antara ujung-ujung panas dan dingin menyebabkan arus listrik mengalir melalui rangkaian, menghasilkan output tegangan.

Output tegangan thermopile sebanding dengan perbedaan suhu di seluruh perangkat dan jumlah pasangan termokopel.

Konstanta proporsionalitas disebut koefisien Seebeck, yang dinyatakan dalam volt per kelvin (V/K) atau milivolt per kelvin (mV/K). Koefisien Seebeck tergantung pada jenis dan kombinasi logam yang digunakan dalam termokopel.

Diagram di bawah menunjukkan thermopile sederhana dengan dua set pasangan termokopel yang dihubungkan secara seri.

Dua ujung termokopel atas berada pada suhu T1, sementara dua ujung termokopel bawah berada pada suhu T2. Output tegangan dari thermopile, ΔV, sebanding dengan perbedaan suhu, ΔT atau T1 – T2, di seluruh lapisan resistansi termal dan jumlah pasangan termokopel. Lapisan resistansi termal adalah material yang mengurangi transfer panas antara daerah panas dan dingin.

Diagram thermopile beda suhu

    T1
    |\
    | \
    |  \
    |   \
    |    \
    |     \  ΔV
    |      \
    |       \
    |        \
    |         \
    |          \
    |           \
    |            \
    |             \
    |              \
    |               \
    ------------------
        Resistansi
       Termal
        Lapisan
    ------------------
    |               /
    |              /
    |             /
    |            /
    |           /
    |          /
    |         /
    |        /
    |       /
    |      /  ΔV
    |     /
    |    /
    |   /
    |  /
    | /
    |/ 
   T2

Thermopiles juga dapat dibuat dengan lebih dari dua set pasangan termokopel untuk meningkatkan output tegangan.

\begin{align*}V_{out} = S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

Thermopiles juga dapat dihubungkan secara paralel, tetapi konfigurasi ini kurang umum karena meningkatkan output arus daripada output tegangan.

Thermopiles tidak merespon suhu absolut, tetapi hanya merespon perbedaan suhu atau gradien suhu.

Oleh karena itu, mereka dapat digunakan untuk mengukur fluks panas, yang merupakan laju transfer panas per satuan luas. Fluks panas dapat dihitung dengan membagi output tegangan dengan resistansi termal dan area perangkat.

Thermopiles menggunakan radiasi inframerah sebagai cara transfer panas dan juga digunakan untuk pengukuran suhu tanpa kontak.

\begin{align*}V_{out} = N*S*(T_{x}-T_{ref})\end{align*}

Radiasi inframerah adalah radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 700 nm hingga 1 mm, yang berkorespondensi dengan suhu antara 300 K hingga 5000 K. Radiasi inframerah dipancarkan oleh objek apa pun dengan suhu yang tidak nol dan dapat dideteksi oleh sensor thermopile.

Jenis Sensor Thermopile

Sensor thermopile adalah perangkat yang menggunakan satu atau lebih thermopile untuk mengukur suhu atau radiasi inframerah dari objek atau sumber.

Sensor thermopile didasarkan pada prinsip pengukuran non-kontak dan memiliki berbagai keuntungan dibandingkan sensor berbasis kontak, seperti akurasi yang lebih tinggi, waktu respons yang lebih cepat, rentang yang lebih luas, dan pemeliharaan yang lebih rendah.

Ada berbagai jenis sensor thermopile, tergantung pada jumlah, konfigurasi, dan material termokopel, serta desain penyerap inframerah dan filter. Beberapa jenis sensor thermopile yang umum adalah:

Sensor thermopile elemen tunggal: Jenis sensor ini hanya memiliki satu thermopile dengan satu ujung panas dan satu ujung dingin. Ujung panas dihubungkan ke penyerap inframerah tipis, biasanya membran mikro-machined pada chip silikon. Ujung dingin dihubungkan ke heatsink atau suhu referensi. Sensor mengukur perbedaan suhu antara ujung panas dan dingin, yang sebanding dengan radiasi inframerah yang diserap oleh membran. Jenis sensor ini cocok untuk mengukur tingkat radiasi inframerah rendah hingga sedang dan memiliki waktu respons yang cepat.
Sensor thermopile multi-elemen: Jenis sensor ini memiliki beberapa thermopile yang disusun secara paralel atau seri. Setiap thermopile memiliki ujung panas dan dingin sendiri, yang dihubungkan ke penyerap inframerah bersama dan heatsink bersama. Sensor mengukur jumlah output tegangan dari setiap thermopile, yang sebanding dengan total radiasi inframerah yang diserap oleh membran. Jenis sensor ini cocok untuk mengukur tingkat radiasi inframerah tinggi dan memiliki sensitivitas yang tinggi.
Sensor thermopile array: Jenis sensor ini memiliki array thermopile yang disusun dalam baris dan kolom pada substrat. Setiap thermopile memiliki ujung panas dan dingin sendiri, yang dihubungkan ke penyerap inframerah individu dan heatsink. Sensor mengukur output tegangan dari setiap thermopile secara terpisah, yang sebanding dengan radiasi inframerah lokal yang diserap oleh setiap penyerap. Jenis sensor ini dapat membuat gambar dua dimensi dari distribusi radiasi inframerah dan dapat mendeteksi posisi, bentuk, dan gerakan objek.
Sensor thermopile piroelektrik: Jenis sensor ini menggabungkan material piroelektrik dengan thermopile. Material piroelektrik adalah material yang menghasilkan muatan listrik ketika dipanaskan atau didinginkan. Material piroelektrik dihubungkan ke ujung panas thermopile, sementara ujung dingin dihubungkan ke heatsink. Sensor mengukur output tegangan dari thermopile ditambah output muatan dari material piroelektrik, yang sebanding dengan laju perubahan radiasi inframerah yang diserap oleh material. Jenis sensor ini dapat mendeteksi perubahan cepat radiasi inframerah dan dapat mengukur suhu statis maupun dinamis.