bab ii landasan teori

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Motor Brushless DC
Motor Brushless DC adalah salah satu jenis motor sinkron magnet
permanen yang disuplai oleh sumber listrik DC pada kontrolnya, dan
membutuhkan sumber listrik AC tiga fasa untuk menggerakan bagian rotor
motornya. Sumber listrik AC tiga fasa dibutuhkan karena motor sinkron
magnet permanen ini memiliki 3 buah koil pada stator, kemudian hubungan
antara koil dan belitan stator trapezoidal akan memberikan electro motive
back trapezoidal (gaya gerak listrik balik trapezoidal) yaitu tegangan balik
yang dihasilkan oleh belitan motor brushless DC yang akan menggerakan
rotor. Pergerakan pada rotor ini disebabkan oleh medan magnet pada stator
yang pada setiap saatnya hanya dua fasa yang tersuplai sementara satu fasa
lainnya tak tersuplai. Fenomena ini mengakibatkan motor ini seperti motor
DC, karena arus yang mengalir pada kumparan stator mirip dengan motor DC
meskipun motor ini sebenarnya dialiri dengan arus tiga fasa.
Motor Brushless DC ini menggunakan sistem komutasi elektrik atau sering
disebut electronically comutated motor. Sistem komutasi elektrik ini diartikan
sebagai fungsi dari switch electronic. Komutator elektronik ini terdiri dari
kombinasi transistor atau biasanya menggunakan MOSFET atau IGBT yang
membutuhkan sinyal atau pulsa penyalaan, dan dapat mengaktifkan koil
dengan waktu yang tepat sehingga dapat menggerakan motor.
Gambar 2.1 Motor brushless DC
5
Motor DC brushless terdiri dari 3 jenis motor berdasarkan banyaknya fasa,
antara lain motor DC brushless 1 fasa, 2 fasa, dan 3 fasa. Mengacu pada
jenisnya, stator pada motor DC brushless memiliki jumlah yang sama dengan
belitannya. Motor DC brushless yang sering digunakan adalah motor DC
brushless 3 fasa.
Gambar 2.2 Motor brushless DC (a) 1 fasa, (b) 2 fasa
Gambar 2.3 Motor brushless DC 3 fasa
2.1.1 Skema Cara Kerja Motor Brushless DC
Berdasarkan prinsip kerja dari motor brushless DC dan cara kerja
pengisian koil pada motor brushless DC, maka cara kerja dari motor
brushless DC dapat dideskripsikan. Akan tetapi, sebelum mendeskripsikan
skema cara kerja dari motor brushless DC ini, kita harus memperhatikan tabel
perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall.
6
Tabel 2.1 Perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall
Skema cara kerja motor brushless DC, adalah sebagai berikut :
Gambar 2.4 Perubahan komutasi motor step 1 dan step 2
Perhatikan tabel 2.1 dan gambar 2.4, Perubahan komutasi motor
berdasarkan nilai sensor hall. Pada kolom nilai sensor hall, nilai tersebut
berasal dari motor brushless DC dan merupakan konstanta tahapan atau step
dari komutasi motor tersebut. Komutasi menghasilkan medan putar sehingga
agar motor bisa berputar harus dilakukan secara bertahap sesuai nilai sensor
hall. Pada step 1, phasa U dihubungkan ke kutub positif baterai pada bus
motor DC brushless melalui (Q1), lalu phasa V dihubungkan ke netral ground
melalui (Q4), untuk phasa W tidak diberikan sinyal, 2 buah vektor fluks
dihasilkan oleh phasa U (panah merah) dan phasa V (panah biru). Jumlah
kedua vektor tersebut menghasilkan vektor fluks pada stator (panah hijau)
dimana rotor akan berusaha mengikuti arah fluks stator tersebut. Pada kondisi
ini motor sedang standby untuk berputar, ketika posisi rotor sudah mencapai
7
posisi tertentu yang diberikan, maka nilai pernyataan logika pada Hall sensor
berubah dari “101” ke “001” dan pola tegangan baru tercipta pada motor
brushless DC dimana phasa V sekarang tidak diberikan sinyal tetapi phasa W
yang sekarang terhubung ke netral ground (Q6), dan phasa U tetap di posisi
terhubung ke positif melalui (Q1) dimana posisi vektor fluks stator (panah
hijau) sekarang berada pada posisi yang ditunjukan gambar step 2.
Gambar 2.5 Perubahan komutasi motor step 3 dan step 4
Dengan mengacu pada gambar 2.5 dan Tabel 2.1, kita sekarang dapat
menentukan switch (Q) mana saja yang aktif ketika phasa tertentu yang akan
diberikan sinyal sehingga arah putaran rotor dapat terlihat. Pada step 3 phasa
yang aktif adalah V-W yang artinya phasa V terhubung ke kutub positif
melalui (Q3) dan phasa W terhubung ke netral ground melalui (Q6)
sedangkan phasa U tidak diberikan sinyal sehingga posisi vektor fluks stator
berada pada posisi tersebut. Lanjut ke step 4 phasa yang aktif adalah V-U
yang artinya phasa V tetap terhubung ke kutub positif melalui (Q3) dan phasa
U terhubung ke netral ground melalui (Q2) sedangkan phasa W tidak
diberikan sinyal sehingga rotor terus berputar kearah fluks stator pada step 4.
8
Gambar 2.6 Perubahan komutasi motor step 5 dan step 6
Mengacu pada gambar 2.6 dan tabel 2.1, step 5 dan step 6 terlihat phasa
lain lagi yang diberikan sinyal. Pada step 5 phasa yang diaktifkan adalah
phasa W-U yang artinya phasa W terhubung ke kutub positif melalui (Q5)
dan phasa U terhubung ke netral ground melalui (Q2) sedangkan phasa V
tidak diberikan sinyal sehingga arah putaran rotor terus mengikuti arah vektor
fluks stator yang dihasilkan. Pada step 6, terjadi proses yang sama dengan
step-step sebelumnya, phasa yang diaktifkan adalah W-V yang artinya phasa
W terhubung ke kutub positif melalui (Q5) dan phasa V terhubung ke netral
ground melalui (Q4) sedangkan phasa U tidak diberikan sinyal dan
selanjutnya proses putaran kembali lagi ke step 1. Itulah 6 langkah (step)
putaran elektris motor BLDC untuk melakukan 1 putaran penuh mekanis
motor BLDC.
Adapun bentuk gelombang pulsa yang dihasilkan dengan perubahan pada
setiap putaran sudut ditunjukkan pada gambar 2.7.
9
Gambar 2.7 Gelombang Pulsa Sinyal Sensor Hall, Back EMF, Keluaran Torsi dan Fasa
10
2.1.2
Bagian – Bagian Motor Brushless DC
1. Kontroler, Driver dan Inverter
Kontroler, Driver dan Inverter merupakan bagian terpenting pada motor
brushless DC karena berfungsi sebagai pengendali dan penggerak putaran
pada motor tersebut. Kontroler, Driver dan Inverter merupakan komponen-
komponen elektronik yang dirangkai menjadi satu kesatuan sistem dalam
mengendalikan motor brushless DC. Pada kontroler komponen utamanya
yaitu mikrokontroler, karena pengendaliannya berbasis mikrokontroler, maka
digunakan mikrokontroler yang telah deprogram. Sedangkan pada driver,
komponen utamanya yaitu gabungan dari beberapa MOSFET.
Kontroler berperan sebagai pengendali kecepatan putaran dengan cara
mengatur kerja driver dan inverter. Driver berperan untuk switching pada
motor brushless DC. Sedangkan inverter berperan sebagai pengubah
tegangan DC menjadi tegangan AC dan akan diubah lagi ke DC untuk
mensuplai driver.
Q1
C1
Q3
Q5
A
B
C
Q2
Q4
Q6
Gambar 2.8 Penggerak elektronik daya untuk motor brushless DC
11
SP
MIKROKONTROLER
( PWM )
VOLTAGE
CONTROL /
POWER
DRIVER
MOTOR
( PLANT )
MOTOR
BLDC
PUTARAN
SENSORS
( SPEED & ANGLE )
Gambar 2.9 Blok Diagram sistem kontroler dan driver pada motor BLDC
Berdasarkan kemampuan control power supply, bisa dipilih rating
tegangan pada motor sesuai kebutuhan. Apabila motor yang digunakan
memiliki rating tegangan sebesar 48 V atau kurang dari itu, biasanya
digunakan untuk bidang otomotif atau bidang robotik. Sedangkan motor yang
digunakan memiliki rating tegangan sebesar 100 V, biasanya motor tersebut
digunakan di bidang industri.
Dalam melakukan perancangan atau pembuatan dari driver dan inverter
sendiri, harus diperlukan pemilihan atau tipe dari MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) yang tepat sesuai kebutuhan dari
motor yang akan dikendalikan. Pada kontroler juga programnya harus
disesuaikan dengan motor. Selain MOSFET, dibutuhkan juga optocoupler
yang berperan sebagai penghubung antara rangkaian daya dengan rangkaian
kontrol, dan sebagai pengaman yang akan melindungi mikrokontroler dan
MOSFET.
2. Stator
Stator merupakan bagian yang diam atau bersifat statis pada motor, yang
berfungsi
sebagai
medan
putar
motor
untuk
memberikan
elektromagnetik pada rotor sehingga motor dapat berputar.
12
gaya
Gambar 2.10 Stator pada motor brushless DC
Pada motor brushless DC statornya terdiri dari 12 belitan ( Elektromagnet)
yang bekerja secara elektromagnetik dimana stator pada motor brushless DC
ini terhubung dengan tiga buah kabel yang masing-masing mewakili phasa
untuk disambungkan pada rangkaian kontrol sedangkan pada motor DC
konvensional statornya terdiri dari dua buah kutub magnet permanen.
Belitan stator pada motor brushless DC terdiri dua jenis, yaitu belitan
stator jenis sinusoidal dan belitan stator jenis trapezoidal. Adapun yang
menjadi dasar perbedaan kedua jenis belitan tersebut terletak pada hubungan
antara koil dan belitan stator yang bertujuan untuk memberikan EMF (Electro
Motive Force) atau gaya gerak listrik yang berbeda.
EMF balik atau gaya gerak listrik balik itu sendiri adalah tegangan balik
yang dihasilkan oleh belitan motor BLDC ketika motor BLDC tersebut
berputar yang memiliki polaritas tegangan berlawanan arahnya dengan
tegangan sumber yang dibangkitkan. Besarnya EMF balik dipengaruhi oleh
kecepatan sudut putaran motor (ω), medan magnet yang dihasilkan rotor (B),
dan banyaknya lilitan pada belitan stator (N) sehingga besarnya EMF balik
dapat dihitung dengan persamaan :
EMF balik = B.N.l.r. ω .............................................................................( 2.1 )
13
Dimana :
B
= Kerapatan medan magnet yang dihasilkan rotor (Tesla)
N
= Banyaknya lilitan pada belitan stator per phasa
l
= Panjangnya batang rotor (m)
r
= Jari-jari dalam motor (m)
ω
= Kecepatan sudut putaran motor (rad) (dimana ω = 2πf )
Ketika motor BLDC sudah dibuat pada jumlah lilitan stator dan besarnya
medan magnet yang dihasilkan nilainya sudah dibuat konstan sehingga yang
mempengaruhi besarnya EMF balik adalah besarnya kecepatan sudut yang
dihasilkan motor, semakin besar kecepatan sudut yang dihasilkan maka
semakin besar pula EMF balik yang dihasilkan oleh motor. Perubahan
besarnya EMF balik ini mempengaruhi torsi motor brushless DC, apabila
kecepatan motor yang dihasilkan melebihi kecepatan rata-rata, maka akan
mengakibatkan EMF balik yang dihasilkan oleh motor lebih besar daripada
tegangan potensial pada belitan stator sehingga arus yang mengalir pada
stator akan turun dan torsi pun menjadi ikut turun pula. Hal tersebut dapat
dibuktikan dengan persamaan rumus torsi pada motor brushless DC di bawah
ini :
T
= K.Ф.Ia (Nm)……………………………………………………..( 2.2 )
Atau
T
= Kg/(m/s) (Nm)…………………………………………………...( 2.3 )
Atau
T
= P / ( n . 2π . 60 )………………………………………………….( 2.4 )
Dimana :
T
= Torsi motor (Nm)
K
= Konstanta Persamaan
Ф
= Fluks magnet (Tesla)
Ia
= Arus jangkar (Ampere)
14
Kg
= Berat Beban/Massa (kg)
M/s = Kecepatan (M/s)
P
n
2π
= Daya Motor ( Watt )
= Putaran Motor ( Rpm )
= Omega ( ω )
Karena berbanding lurus dengan faktor-faktor lain yang mempengaruhi
torsi maka kenaikan dan penurunan arus sangat berpengaruh pada besarnya
torsi yang dihasilkan motor brushless DC. Selain itu, untuk mencari torsi
melalui perbandingan antara berat dengan kecepatan, maka diperlukan
konversi dari putaran menjadi kecepatan dengan menggunakan persamaan
berikut ini.
m/s = (π . d. Rpm) /60000 (m/s)………………………………………....( 2.5 )
Dimana :
m/s = Kecepatan ( m/s )
d
= Diameter motor ( mm )
Rpm = Putaran Motor
Untuk mengetahui torsi motor diperlukan fluks magnet. Kemudian untuk
mengetahui fluks magnet pada suatu motor brushless DC bisa menggunakan
persamaan berikut.
Ф = F / R atau Ф = F / ( l / µ . A ) (Wb)…………………………………( 2.6 )
Dimana :
Ф = Fluks Magnet (Wb)
F = Gaya gerak magnet (At (Ampere-turn) )
l = Panjang kumparan ( m )
µ = Permeabilitas dari bahan magnet ( Wb/At )
A = Luas penampang kumparan ( m2 )
15
Gambar 2.11 Bentuk EMF balik trapezoidal yang dihasilkan motor brushless DC
3. Rotor
Rotor merupakan bagian penting juga pada motor yang berfungsi untuk
menggerakan atau membuat motor berputar. Perputaran tersebut terjadi akibat
adanya gaya elektromagnetik yang dihasilkan oleh stator. Untuk mengetahui
putaran pada motor, bisa menggunakan persamaan berikut ini.
n = V – ( Ia.Ra ) / K.Ф (Rpm)….............................................................( 2.7 )
Dimana :
n = Putaran motor ( Rpm )
V = Tegangan Kerja Motor ( Volt )
Ia = Arus Jangkar ( A )
Ra = Tahanan Jangkar ( Ω )
K = Konstanta Motor
Ф = Fluks Medan Magnet ( Wb )
Rotor pada motor brushless DC berbeda dengan rotor pada motor DC
konvensional. Pada motor DC konvensional rotornya tersusun dari 1 buah
elektromagnet yang berada diantara brushes (sikat) yang terhubung pada 2
buah elektroda yang terangkai ke suplai DC. Sedangkan pada motor brushless
16
DC bagian rotornya tersusun dari 2 hingga 8 pasang kutub magnet permanen
berbentuk persegi panjang yang saling direkatkan menggunakan semacam
“epoxy” dan tidak memiliki sikat.
Gambar 2.12 Rotor motor brushless DC
4. Axle
Axle atau sumbu adalah batang yang berfungsi sebagai sumbu putar motor,
terpusat pada rotor dan dirangkai bersama rotor.
Gambar 2.13 axle motor brushless DC
5. Sensor Hall
Sensor hall merupakan sensor yang berada pada motor brushless DC yang
berfungsi untuk memberikan feedback (umpan balik) pada rangkaian kontrol
yang bersifat elektronik yang akan mengendalikan perubahan komutasi pada
motor brushless DC. Hal tersebut dikarenakan motor brushless DC bagian
stator harus diberikan sinyal secara berurutan sesuai perubahan komutasi.
17
Pada bagian inilah peran dari sensor hall dibutuhkan untuk mendeteksi
bagian koil atau phasa pada rotor yang telah diberikan sinyal oleh fluks
magnet sehingga proses dari perubahan komutasi yang terdiri dari 6 step
komutasi dapat dilakukan oleh stator dengan tepat karena sensor hall ini
dipasang menempel pada stator.
Gambar 2.14 Posisi penempatan sensor hall
Sensor hall ini ditempatkan setiap 120 0 pada jarak antar kutub stator. Hal
ini bertujuan untuk hasil deteksi terhadap vektor fluks stator dapat akurat
sehingga setiap perpindahan komutasi membuat arus yang mengalir tetap
terjaga konstan pada setiap phasa.
Prinsip kerja sensor hall sendiri membutuhkan arus yang mengalir terus,
jika dibutuhkan kerja sebagai pendeteksi fluks magnet.
Gambar 2.15 Prinsip kerja elemen hall
18
Jika garis putus-putus yang berada pada gambar 2.15 itu sebagai gambaran
medan magnet, maka gaya elektromagnet dibuat atas dasar gerakan elektron
seperti yang diberikan oleh kaidah tangan kiri fleming. Sewaktu daya elektron
yang dibiaskan pada sisi kiri, akibatnya kutub negatif disisi kiri dan kutub
positif disisi kanan. Polaritas elektrostatik bergantung pada yang dialami garis
putus-putus apakah berkutub utara atau berkutub selatan, dan digunakan
untuk menyatakan sinyal pada posisi rotor dalam batas polaritas magnet. Bila
motor brushless DC menggunakan sensor hall sebagai sensor posisi atau
kedudukan, maka dibutuhkan faktor atau elemen penting untung mendukung
kerja dari sensor hall tersebut. Berhubung motor brushless DC yang akan
dikendalikan berbasis mikrokontroler, maka dari sensor hall akan
memberikan sinyal input kepada mikrokontroler agar mikrokontroler yang
telah diprogram dapat bekerja mengendalikan motor brushless DC.
Untuk posisi dari sensor hall, telah dijelaskan pada bagian skema cara
kerja motor brushless DC. Dan untuk mengetahui kedudukan atau posisi dari
sensor hall, harus dilakukan dengan cara membuat program pada
mikrokontroler melalui program tampilan LCD.
Gambar 2.16 sensor hall
19
2.1.3
Kelebihan Motor BLDC Dibandingkan Motor Brushed DC
Motor brushless DC mampu meminimalisir kekurangan pada motor
brushed DC. Adapun beberapa keunggulan atau kelebihan motor brushless
DC antara lain :
1. Jumlah elektromagnet pada stator banyak sehingga memungkinkan kontrol
yamg lebih akurat.
2. Tidak akan mudah rusak pada sikat setelah lama pemakaiannya, karena
tidak memiliki sikat.
3. Pendinginan pada motor lebih mudah karena posisi elektromagnet pada
stator.
4. Tidak adanya snoring/electrical noise yaitu suara bising akibat gesekan
celah udara antara sikat dengan rotor.
5. Karena tidak memiliki sikat, dan motor brushless DC bersifat komutasi
elektrik, sehingga yang mengontrol perpindahan arus yaitu dengan
mikrokontroler. Dengan demikian akan membuat perpindahan arus
tersebut lebih akurat (presisi). Pada mikrokontroler juga dapat mengatur
kecepatan motor, sehingga akan menjadi lebih efisien.
Sedangkan kelemahan atau kekurangan motor brushed DC dibandingkan
dengan brushless DC antara lain :
1. Motor sikat apabila terlalu sering digunakan, lama kelamaan sikatnya akan
rusak.
2. Karena sikat memutus dan menghubungkan antara sistem dengan motor,
maka akan menimbulkan snoring/electrical noise.
3. Sikat pada motor membatasi kecepatan maksimum motor.
4. Sikat juga membatasi jumlah kutub magnet yang dapat diinstalasi.
5. Pendinginan motor lebih sulit, karena posisi elektromagnet berada di
tengah-tengah rotor.
20
2.2 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field effect transistor) atau
transistor efek medan, yang jauh berbeda dengan JFET (junction field effect)
dan IGBT (insulated gate bipolar transistor).
Gambar 2.17 Klasifikasi FET
MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki konduktor, yaitu kaki pertama atau
ujung atas dinamakan drain, kaki kedua ujung bawah dinamakan source, dan
kaki ketiga dinamakan gate. Gate biasanya memiliki 1 atau dua buah kaki.
Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda
tipe bahan. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan yang
lainnya secara internal dan dinamakan gate. Yang membedakan MOSFET
dengan FET-FET lainnya terletak pada gate, karena gate pada MOSFET
diisolasi oleh bahan metal oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal
seperti alumunium. Oleh karena itulah, transistor efek medan ini dinamakan
metal oxide semiconductor.
Gambar 2.18 Lambang MOSFET
21
MOSFET mempunyai impedansi input yang sangat tinggi. Harga dari
sebuah MOSFET cukup tinggi, maka dari itu penggunaan MOSFET harus
disesuaikan dengan kebutuhan yang sangat mendesak untuk sebuah alat.
Dalam pengemasan dan perakitan pada MOSFET, perlu diingat dan
diperhatikan bahwa komponen ini tidak tahan terhadap elektrostatik. Untuk
pengemasannya menggunakan kertas timah atau heatsync dan untuk
pematriannya diusahakan menggunakan solder yang khusus untuk MOSFET.
2.2.1
Kurva Karakteristik MOSFET
Ada dua macam karakteristik yang bisa ditemukan pada MOSFET, yaitu
karakteristik drain ID = f (VDS) (drain characteristics) dan karakteristik
transkonduktansi ID = f (VGS) (transconductace characteristics).
Gambar 2.19 Kurva karakteristik MOSFET
1. Drain Characteristics
Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate to
source (VGS) konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain (ID)
terhadap tegangan drain to source (VDS).
Dari gambar 2.19 kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET dapat
bekerja (ON) mulai dari tegangan gate to source (VGS) 3,5V sampai dengan
nilai tegangan VGS yang diuji sebesar 3,6V, biasanya pada MOSFET yang
difungsikan sebagai elektronik daya memiliki nilai VGS maksimal yang
22
berbeda-beda, sesuai dengan tipe atau seri MOSFET yang digunakan.
Misalkan tipe atau seri MOSFET IRF540n memiliki nilai VGS maksimal
sebesar 20V. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic
dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari :
RDS(on) = VDS/IDS……………………………………………………..( 2.8 )
Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, maka ID akan naik. Dan
apabila V
DS terus dinaikan, maka selanjutnya akan berada pada daerah
saturasi atau daerah jenuh. Jika keadaan saturasi telah tercapai, maka arus ID
akan konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena
jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias
merusak MOSFET itu sendiri.
Tujuan harus mengetahui Drain Characteristics yaitu agar MOSFET yang
akan digunakan bisa diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan
tegangan pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VDS sama dengan
datasheet atau tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi
tentang proses pengosongan dan pengisian elektron pada MOSFET.
2. Transconductance Characteristics
Analisa kurva Transconductance dilakukan hampir sama dengan kurva
Drain yaitu dengan mencoba beberapa tegangan, akan tetapi perbedaannya
yaitu dibalik dengan mencoba beberapa tegangan drain to source (VDS)
dibuat konstan, sedangkan yang dibuat grafik yaitu hubungan antara arus
drain (ID) terhadap tegangan gate to source (VGS).
Dari gambar 2.19 kurva ini terlihat jelas bahwa pada transistor MOSFET
berlaku semakin besar tegangan drain to source (VDS) maka semakin besar
pula arus drain yang dihasilkan. Selain itu, ada proses kenaikan arus drain
(ID) dari tegangan threshold (Vth) atau tegangan minimum MOSFET
melakukan konduktansi sampai MOSFET mulai bekerja (ON) pada kondisi
23
tegangan gate to source (VGS) yang telah ditentukan dan kenaikan arus drain
(ID) akan menjadi konstan setelah mencapai kondisi MOSFET bekerja (ON).
Tujuan harus mengetahui Transconductance Characteristics sama seperti
drain characteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa
diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada
MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VGS sama dengan datasheet atau
tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi tentang proses
terjadinya konduktansi pada gate elektron pada MOSFET.
2.2.2 Jenis-Jenis MOSFET
Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang
Jenis MOSFET yang kedua adalah
kedua jenis enhancement-mode.
komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit),
uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah
komponen utama dari komputer modern saat ini.
1. MOSFET Depletion-mode
Gambar 2.20 menunjukkan struktur dari transistor jenis ini. Pada sebuah
kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan
menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan
mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari
metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang
tidak lain adalah kaca.
Gambar 2.20 Struktur MOSFET depletion-mode
24
Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung
singkat dengan source. Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi
mulai membuka jika VGS = 0.
Dengan menghubung singkat subtrat p dengan
source diharapkan
ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat dengan kanal adalah
maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan
ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi
yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning.
Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus
drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu.
Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate
dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan
deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET
depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET.
Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS
semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini
letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa
bekerja sampai tegangan gate positif.
Gambar 2.21 Penampang D-MOSFET (depletion-mode)
Struktur ini adalah penampang MOSFET depletion-mode yang dibuat di
atas sebuah lempengan semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n
dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini
menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate
terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO 2 (kaca).
Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga
dengan nama D-MOSFET.
25
2. MOSFET Enhancement-mode
Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement mode. Transistor ini adalah evolusi jenius berikutnya setelah penemuan
MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi
oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode.
Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET
enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate.
Gambar 2.22 Struktur MOSFET enhancement-mode
Gambar 2.22 adalah transistor MOSFET enhancement mode kanal n. Jika
tegangan gate VGS dibuat negatif, tentu saja arus elektron tidak dapat
mengalir. Juga ketika VGS=0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena
tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satusatunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena subtrat
terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan
gate terhadap subtrat juga positif.
Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtrat p.
Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p.
Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan
menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus
menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh
bahan insulator SiO2 (kaca).
Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan
menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika
itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini
disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan
26
dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya tipe p, maka lapisan
inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n.
Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk.
Tegangan minimun ini disebut tegangan threshold VGS(th). Tegangan VGS(th)
oleh pabrik pembuat tertera di dalam datasheet.
Di sini letak perbedaan utama prinsip kerja transitor MOSFET
enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0 ,
transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET
enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen
normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.
Transistor MOSFET enhacement mode dalam beberapa literatur disebut
juga dengan nama E-MOSFET.
Gambar 2.23 Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)
Gambar diatas adalah bagaimana transistor MOSFET enhancement-mode
dibuat. Sama seperti MOSFET depletion-mode, tetapi perbedaannya disini
tidak ada kanal yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan
terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan V GS diatas tegangan
threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak di terapkan
dalam IC digital.
Gambar 2.24 Kurva Karakteristik MOSFET D-Mode dan E-Mode
27
2.2.3
Simbol MOSFET
Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur
transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah
panah pada subtrat menunjukkan type lapisan yang terbentuk pada subtrat
ketika transistor ON sekaligus menunjukkan type kanal transistor tersebut.
Gambar 2.25 Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) kanal-p
Kedua simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET
maupun E-MOSFET.
2.2.4 Spesifikasi MOSFET
Untuk menggunakan MOSFET dan mengaplikasikannya ke dalam
rangkaian yang akan dibuat, ada beberapa hal penting yang perlu
diperhatikan. Pada deskripsi di bawah ini merupakan spesifikasi pada
MOSFET yang perlu diperhatikan karena hal tersebut merupakan salah satu
cara untuk melakukan pemilihan jenis MOSFET yang tepat untuk diterapkan
pada rangkaian yang dibuat. Spesifikasi yang harus diperhatikan pada
MOSFET adalah sebagai berikut :
1. VDS, yaitu nilai kemampuan tegangan pada MOSFET untuk menerima
tegangan drain to source atau tegangan keluaran.
2. IDS, yaitu nilai kemampuan arus pada MOSFET untuk mengalirkan arus
keluaran.
3. VGS, yaitu nilai kemampuan tegangan pada MOSFET untuk menerima
tegangan gate to source atau tegangan masukan.
28
4. RDS, yaitu nilai kemampuan resistansi pada MOSFET yang biasa didefinisikan
hasil perbandingan kerja antara VDS dengan ID, dan berfungsi untuk
mengurangi daya yang terbuang melalui disipasi panas.
5. PD, yaitu kemampuan pada MOSFET dalam menampung disipasi daya.
6. t seperti td(on), td(off),tr, tf, yaitu elemen-elemen switching time pada MOSFET
atau kemampuan kecepatan MOSFET untuk melakukan penyakelaran, dan
biasanya pada MOSFET-MOSFET daya memiliki kemampuan untuk
penyakelaran sampai sekian nano detik (ns).
Untuk spesifikasi pada MOSFET sebenarnya masih banyak lagi selain
spesifikasi-spesifikasi yang telah disebutkan diatas. Akan tetapi, spesifikasispesifikasi yang telah disebutkan diatas merupakan spesifikasi-spesifikasi
yang harus diperhatikan karena spesifikasi-spesifikasi tersebut biasanya
berbeda-beda dengan jenis MOSFET yang berbeda juga.
2.2.5 Keunggulan MOSFET
Pemilihan komponen FET ( Field Effect Transistor) dengan menggunakan
MOSFET karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan FETFET lainnya, yaitu :
1. Terminal gate MOSFET secara elektrik terisolasi dari sumber oleh lapisan
oksida, sehingga MOSFET mempunyai impedansi masukan yang sangat
tinggi, sehingga tidak akan membebani rangkaian sebelumnya dan tidak
memerlukan rangkaian driver yang rumit untuk terminal gate.
2. Kecapatan switchingnya sangat tinggi, dalam orde nano detik, sehingga rugirugi akibat aksi switching dapat dibuat sekecil mungkin.
3. Sangat cocok digunakan untuk aplikasi rangkaian yang menggunakan
tegangan rendah.
4. MOSFET tidak memerlukan interface berupa rangkaian buffer apabila
dihubungkan dengan rangkaian logika.
29
2.2.6 Mengetes Kondisi MOSFET
Untuk menentukan kondisi dan jenis MOSFET dilakukan dengan cara
menggunakan ohmmeter. Ohmmeter yang digunakan diutamakan analog agar
lebih akurat dalam mengecek kondisi MOSFET. Putar ohmmeter pada posisi
x1, kemudian ukur atau letakkan terminal positif dan negatif ke kaki-kaki
MOSFET dengan parameter sesuai tabel 2.2.
Tabel 2.2 Parameter Kondisi Baik MOSFET tipe-n
Kaki G
Kaki D
Kaki S
Kaki G
Kaki D
No Terminal Terminal Terminal Terminal Terminal
Kaki S
Terminal
Kondisi
(+)
(+)
(+)
(-)
(-)
(-)
1
v
-
-
-
V
-
OFF
2
v
-
-
-
-
v
OFF
3
-
v
-
v
-
-
OFF
4
-
-
v
v
-
-
OFF
5
-
v
-
-
-
v
OFF
6
-
-
v
-
V
-
ON
Untuk MOSFET tipe-p parameternya sama dengan tipe-n akan tetapi yang
membedakannya yaitu ketika terminal positif pada kaki D dan terminal
negatif pada kaki S, kondisinya ON (jarum ohmmeter menyimpang).
Sedangkan ketika sebaliknya, kondisinya OFF (tidak menyimpang). Apabila
ketika pengecekan MOSFET tidak sesuai dengan parameter tersebut, maka
kondisi MOSFET tersebut rusak.
2.3 Integrated Circuit (IC)
Integrated circuit adalah suatu rangkaian elektronik yang dikemas menjadi
satu kemasan yang kecil. Beberapa rangkaian elektronik yang besar dapat
diintegrasikan menjadi satu dan dikemas dalam kemasan yang kecil. Suatu IC
yang kecil dapat memuat retusan bahkan ribuan komponen elektronik.
30
Gambar 2.26 Beberapa contoh IC
Bentuk dari IC bermacam-macam. Ada yang berbentuk persegi, lingkaran,
dip, dan lain-lain. IC ada yang memiliki kaki 3, ada juga yang memiliki kaki
banyak atau lebih dari 3.
Bentuk IC ada juga yang menyerupai sisir (single in line), bentuk lain
adalah segi empat dengan kaki-kaki berada pada keempat sisinya. Akan
tetapi, kebanyakan IC berbentuk dual in line. IC yang berbentuk bulat dan
dual in line biasanya kaki-kakinya diberi nomor urut dengan urutan sesuai
arah jarum jam, kaki nomor satu diberi tanda titik.
Gambar 2.27 IC single in line
Gambar 2.28 IC dual in line
Setiap IC ditandai dengan nomor tipe. Nomor ini biasanya untuk
menunjukkan IC. Jadi jika nomornya ada yang sama maka fungsi dari IC juga
sama, dan kode lain menunjukan pabrikan dari IC.
Ada banyak jenis-jenis IC beserta fungsi-fungsinya yang berbeda-beda.
Salah satunya yaitu ada IC yang berfungsi sebagai penstabil tegangan DC. IC
tersebut adalah IC Regulator.
Sebuah sistem elektronik tidak akan bisa beroperasi tanpa sumber
tegangan (Power Supply). Sumber tegangan tersebut dapat berupa sumber
31
tegangan AC (Alternative Current) atau DC (Direct Current) dimana besar
kecilnya daya output harus stabil dan harus disesuaikan dengan kebutuhan.
Misalnya IC TTL membutuhkan tegaganan DC stabil 5 Volt, IC CMOS
membutuhkan tegangan DC stabil 12 Volt, Zilog 80 membutuhkan tegangan
DC stabil 5 Volt, dan sebagainya.
IC Regulator yang bisa diaplikasikan untuk permasalahan yang di atas.
Ada beberapa jenis pada IC Regulator tegangan, antara lain :
1. IC 7805 untuk menstabilakn tegangan DC +5 Volt
2. IC 7809 untuk menstabilakn tegangan DC +9 Volt
3. IC 7812 untuk menstabilakn tegangan DC +12 Volt
4. IC 7824 untuk menstabilakn tegangan DC +24 Volt
5. IC 7905 untuk menstabilakn tegangan DC -5 Volt
6. IC 7909 untuk menstabilakn tegangan DC -9 Volt
7. IC 7912 untuk menstabilakn tegangan DC -12 Volt
8. IC 7924 untuk menstabilakn tegangan DC -24 Volt
2.4 Optocoupler
Optocoupler merupakan gabungan dari LED infra merah dengan
fototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Cahaya infra merah
termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata
telanjang. Optocoupler juga merupakan salah satu jenis komponen yang
memanfaatkan sinar sebagai pemicu on/off-nya. Opto berarti optik dan
coupler berarti pemicu. Sehingga bisa diartikan bahwa optocoupler
merupakan suatu komponen yang bekerja berdasarkan picu cahaya optik
optocoupler termasuk dalam sensor. Optocoupler berfungsi sebagai
penghubung antara rangkaian kontrol dengan rangkaian daya, penghubung
disini berarti sebagai pengaman. Jadi, apabila terjadi gangguan atau tegangan
tinggi yang masuk pada rangkaian daya atau rangkaian kontrol maka yang
akan rusak adalah komponen optocoupler ini, bukan komponen yang berada
pada rangkaian daya maupun pada rangkaian kontrol. Sehingga optocoupler
disini bisa dikatakan sebagai pengaman rangkaian.
32
Gambar 2.29 Optocoupler
Optocoupler memiliki dua bagian penting yang membuat komponen ini
bekerja sesuai fungsinya, yaitu :
1. Transmitter
Pada transmitter dibangun dari sebuah LED (Light Emitting Diode) infra
merah. Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah
memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang
dipancarkan oleh LED infra merah tidak terlihat oleh mata telanjang.
2. Receiver
Pada bagian receiver dibangun dengan dasar komponen photodiode.
Photodiode merupakan suatu transistor yang peka terhadap cahaya. Suatu
sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan spektrum infra
merah, karena spektrum infra menpunyai efek panas yang lebi besar dari
cahaya tampak, maka photodiode lebih peka untuk menangkap radiasi dari
sinar infra merah. Selain photodiode, pada receiver terdapat operational
amplifier, resistor dan hubungan transistor.
Ditinjau dari kegunaan fisik optocoupler dapat berbentuk bermacammacam. Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data
pada sisi transmitter dan sisi receiver, maka optocoupler ini bisasanya dibuat
dalam bentuk solid (tidak ada ruang antara LED dan Photodiode). Sehingga
sinyal listrik yang ada pada input dan output akan terisolasi. Dengan kata lain
optocoupler ini di gunakan sebagai optosilator jenis IC.
33
Gambar 2.30 Skema optocoupler TLP250
Arus forward (IF) dan tegangan forward (VF) merupakan arus maju dan
tegangan maju yang berasal dari rangkaian kontrol dan masuk pada bagian
transmitter, karena arus maju dan tegangan maju masuk ke LED infra merah
untuk memancarkan cahaya yang tidak terlihat oleh mata telanjang.
Pancaran dari LED infra merah akan diterima oleh receiver yang berupa
photodiode dan diteruskan menuju operational amplifier. Dari op-amp
diteruskan lagi menuju transistor yang dihubungkan direct transistor dan
menghasilkan tegangan keluaran (VO) untuk disalurkan menuju rangkaian
daya. Agar membuat optocoupler ini aktif, maka diperlukan suplai tegangan
(VCC) sebesar tegangan yang dibutuhkan optocoupler sesuai seri atau tipe dari
optocoupler.
Untuk menggunakan optocoupler diperlukan kapasitor sebesar 0,1
mikrofarad dan dipasang diantara VCC dengan ground.
34
2.5 Accumulator ( Baterai )
Baterai adalah suatu alat elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia
menjadi energi listrik melalui reaksi kimia kelistrikan. Baterai ataupun
accumulator menghasilkan tegangan DC yang biasanya digunakan untuk
membuat peralatan elektronik ataupun komponen berbahan semikonduktor
bekerja sesuai fungsinya setelah diberikan suplai DC. Pada umumnya, yang
dikenal masyarakat baterai berukuran kecil dan biasa digunakan untuk remote
TV, jam, robot-robotan dan sebagainya. sedangkan aki atau accumulator
berukuran besar dan digunakan pada kendaraan bermotor untuk menyalakan
lampu, tape, dan sebagainya. Padahal, Aki maupun baterai sama saja baterai
dan sama-sama menghasilkan tegangan DC.
2.5.1
Jenis-Jenis Baterai
Baterai yang banyak digunakan pada kendaraan adalah tipe sel sekunder
(storage battery atau galvanic battery) yang memungkinkan untuk dapat
mengeluarkan dan mengisi muatan lisriknya kembali. Adapun jenis-jenis
baterai pada sel sekunder, antara lain :
1. Lead-acid battery
Jenis baterai ini terdiri atas lead peroxide sebagai plat anoda positif,
discharge lead sebagai plat katoda negatif dan larutan sebagai elektrolit.
Kelebihan dari baterai lead-acid antara lain :
a. Tingkat bahayanya lebih sedikit dibandingkan dengan jenis lainnya
karena reaksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.
b. Dapat diandalkan dan harganya relatif murah.
Kekurangan dari baterai lead-acid antara lain :
a. Energinya lebih rendah dari jenis baterai yang lainnya.
b. Umurnya kurang tahan lama.
c. Pengisian kembalinya lama.
35
2. Alkali battery
Jenis baterai ini memiliki dua jenis baterai alkali yaitu baterai Ni-Fe dan
baterai Ni-Cd.
Kelebihan dari baterai Alkali battery antara lain :
a. Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over
discharging dan tahan lama.
b. Mempunyai performa yang baik.
c. Usianya tahan lama (10-20 tahun).
d. Waktu pengisiannya cepat.
Kekurangan dari baterai Alkali battery antara lain :
a. Energinya lebih rendah dari jenis baterai yang lainnya.
b. Biaya metal yang digunakan untuk elektroda sangat mahal.
c. Sulit untuk diproduksi massal.
2.5.2
Spesifikasi Baterai Atau Aki
Untuk menggunakan accumulator atau baterai, hal yang perlu diketahui
adalah spesifikasi aki atau baterai yang akan digunakan. Adapun spesifikasi
baterai atau aki adalah sebagai berikut :
1. Voltase
2. Ampere Hour (Ah)
3. Berat dan ukuran aki
2.5.3
Pengisian dan Pengosongan Baterai Atau Aki
1. Proses Pengosongan Akumulator
Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi
energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada
anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat
(PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb)
menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada larutan elektrolit terjadi
perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan
akumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut .
36
Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2), Kutub negatif
(katode) terbuat dari timbal murni (Pb), Larutan elektrolit terbuat dari asam
sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit
dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron
dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang dikosongkan adalah sebagai
berikut.
Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 →PbSO4+2H2O
Pada katode : Pb + SO 42 → PbSO4
Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO4). Jika hal itu terjadi, maka
kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir.
Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat
berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan
akumulator kosong (habis).
2. Proses Pengisian Akumulator
Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi
kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada
saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi
kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4)
berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada anode, yaitu timbal
sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat
akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum
terjadi penguapan air.
Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang
memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong
harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt.
37
Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub
positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator.
Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif
akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC
berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator.
Elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode
akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua
elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang
digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus
listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam
sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat
turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.
Susunan akumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih
kosong, yaitu kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4),
kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4), dan larutan
elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.
Reaksi kimia saat akumulator diisi, yaitu :
pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
pada anode : PbSO4 + SO4 2– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4
pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4
Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya mengubah anode dan
katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2)
dan timbal murni (Pb).
38
2.5.4
Perhitungan Penggunaan Baterai Atau Aki
Kapasitas aki ditentukan dengan satuan Ampere-hour atau diringkas
dengan satuan Ah, yaitu ukuran besarnya daya simpan aki. Tegangan DC aki
yang berstandar 6V, 9V, 12V, 24V dan 48V adalah sangat umum sekali di
pasaran.
Untuk menentukan berapa buah aki yang dibutuhkan untuk menyimpan
arus yang disalurkan ke beban, maka perlu diketahui bahwa besarnya beban
dan jenis aki yang dipilih. Untuk tujuan perhitungan, bisa menggunakan
contoh perhitungan seperti di bawah ini :
Misalkan : Total Beban Digunakan = 1200 Watt-jam/hari
Diketahui : Jenis Voltase Aki yang akan dipakai = 12V
Maka aki yang dibutuhkan harus dengan spesifikasi Ah seperti berikut :
Total Kapasitas Aki = P/V = 1200/12V = 100Ah
Jumlah Aki yang diperlukan = 1 buah Aki (berkapasitas 12V, 100Ah)
Jika hanya 1 buah aki yang diterapkan, hal ini berarti aki tunggal ini akan
habis dayanya setelah dipakai 24 jam tanpa pengisian. Apabila membutuhkan
suplai energi arus DC yang tidak boleh berhenti atau kosong untuk mensuplai
beban, maka harus dilakukan kapasitas bank aki yang perlu ditingkatkan.
Dengan cara menambah kapasitas bank aki dan meningkatkan 2 kali lipat
kapasitas aki, yaitu menjadi 2 buah aki (12V, 100Ah).
39
2.6 PWM ( Pulse Width Modulation )
Pulse Width Modulation (PWM) adalah suatu metode yang cukup efektif
untuk mengendalikan kecepatan motor DC. PWM ini bekerja dengan cara
membuat gelombang persegi atau kotak yang memiliki perbandingan pulsa
high terhadap pulsa low tertentu, biasanya diskalakan dari 0 hingga 100%.
Gelombang persegi ini memiliki frekuensi tetap namun lebar pulsa high dan
low dalam 1 periode yang akan diatur. Perbandingan pulsa high terhadap low
ini akan menentukan jumlah daya yang diberikan ke motor DC.
Untuk menjalankan motor DC dengan PWM tidak dapat digunakan relay,
melainkan harus digunakan rangkaian driver motor DC lainnya. Rangkaian
driver ini bisa menggunakan kombinasi rangkaian full bridge atau half bridge
menggunakan transistor atau MOSFET.
Gambar 2.31 Bentuk gelombang PWM
Cara pengaturan kecepatan dengan menggunakan teknik PWM (Pulse
Width Modulation) yang merupakan salah satu teknik untuk mengatur
kecepatan motor DC yang umum digunakan. Dengan menggunakan PWM
kita dapat mengatur kecepatan yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM
untuk pengaturan kecepatan motor adalah pengaturan kecepatan motor
dengan cara merubah-rubah besarnya duty cycle pulsa. Pulsa yang yang
berubah ubah duty cycle-nya inilah yang menentukan kecepatan motor.
Besarnya amplitudo dan frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya
duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, semakin
besar duty cylce maka semakin cepat pula kecepatan motor, dan sebaliknya
semakin kecil duty cycle maka semakin pelan pula kecepatan motor. Duty
40
cycle adalah kondisi ketika pulsa berada di puncak gelombang atau pada
posisi ON dalam satu periode.
Sebagai contoh bentuk pulsa yang dikirimkan adalah seperti pada gambar
2.43 pulsa kotak dengan duty cycle pulsa 10%, 50% dan 90%.
Gambar 2.32 Duty cycle 10%, 50% dan 90%
Semakin besar duty cycle pulsa kotak, maka semakin lama pula posisi
logika high. Jika motor diatur agar berjalan ketika diberi logika high, maka
jika memberi pulsa seperti pada gambar 2.43 diatas, maka motor akan berada
pada kondisi “nyala-mati-nyala-mati” sesuai dengan bentuk pulsa tersesebut.
Semakin lama motor berada pada kondisi “nyala” maka semakin cepat pula
kecepatan motor tersebut. Motor akan berputar dengan kecepatan maksimum
jika mendapat pulsa dengan duty cycle 100%. Dengan kata lain motor
mendapat logika high terus menerus. Duty cycle pada PWM dapat dinyatakan
sebagai berikut :
Ton
DUTY CYCLE =
x100%...............................Persamaan 2.9
Ton+Toff
41
Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan
seluruhnya. Jika tegangan catu 48V, maka motor akan mendapat tegangan
48V. pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50%
dari total tegangan yang ada yaitu 24V, begitu seterusnya.
Dengan mengatur besarnya duty cycle pulsa kotak yang dikirimkan, kita
dapat mengatur banyaknya logika high yang diberikan pada motor, dengan
kata lain mengatur lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode
pulsa. Jika lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa ini
berubah maka kecepatan purtaran motor juga akan berubah, sesuai dengan
duty cycle atau waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa.
2.7 Penggerak Elektronik Daya (Driver)
Penggerak elektronik daya atau biasa disebut dengan driver merupakan
suatu rangkaian sistem elektronik yang berfungsi untuk menggerakkan motor
listrik DC. Komponen utama pada driver ini merupakan solid state yang
berfungsi sebagai switching atau penyakelaran. Transistor yang digunakan
untuk motor listrik DC ini bukan transistor biasa, akan tetapi biasanya
menggunakan transistor-transistor daya seperti MOSFET (metal oxide
semiconductor field effect transistor), IGBT (insulated gate bipolar
transistor), dan sebagainya.
Gambar 2.33 Rangkaian Full Bridge
42
Pada proyek akhir ini merupakan penggerak elektronik daya untuk motor
brushless DC, sehingga rangkaian yang digunakan adalah rangkaian full
bridge dengan menggunakan 6 buah transistor daya elektromagnetik
MOSFET.
Cara kerja dari driver full bridge motor brushless DC ialah hanya
mengatur switching time pada 6 buah MOSFET secara bergiliran sesuai
dengan tahapan yang dibutuhkan oleh motor brushless DC. Untuk mengatur
waktu penyakelaran tersebut menggunakan mikrokontroler.
43