4 -1 Sesi-04 KOMPONEN ELEKTRONIKA 3 4.1 Tujuan Mengenal dan memahami prinsip dasar Induktor, Relay dan Motor DC 4.2 Dasar Teori 4.2.1 Induktor Induktor adalah suatu konduktor (kawat) yang dililitkan pada sebuah bahan yang mempunyai sipat kemagnitan, dimana bahan untuk kemagnitan disebut inti (core). Dari pemakaian inti (core) induktor mempunyai dua type - Induktor dengan inti (core) ferromagnet - Induktor dengan inti (core) udara Gambar berikut memperlihatkan simbol induktor: a b Gambar 4-1 Simbol Induktor a. Induktor dengan inti udara b. Induktor dengan inti ferromagnet Counter atau Back Electromotive Force Jika arus dialirkan pada suatu induktor, maka pada induktor tersebut terjadi suatu perlawanan arus, kejadian ini serupa dengan pegas (per), apabila pegas (per) tersebut diberikan Force (gaya), maka pegas akan memberikan Force (gaya) yang berlawanan dari Force (gaya) yang diberikan. Force Force Pegas Gambar 4-2 Simulasi Force Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -2 Perlawanan tersebut didalam listrik disebut counter atau back electromotive force atau cemF. Dalam suatu rangkaian listrik cemf (counter electro motive Force) adalah suatu induksi emf atau tegangan yang diinduksikan pada konduktor bahan efek medan magnit dari luar. Oleh karena itu counter emf adalah tegangan induksi sendiri (self inductor), sehingga komponen suatu rangkaian listrik yang menghasilkan induksi sendiri disebut Inductance. Timbulnya Counter emf Pada prinsip generator, gerakan suatu konduktor dalam medan magnit mengakibatkan suatu induksi emf atau tegangan. Didalam induksi sendiri (self inductance) eqivalent gerakan tersebut adalah perubahan kepadatan flux yang disebabkan naik turun arus listrik. Pada electromagnetic, intensitas medan dalam suatu konduktor tergantung pada arus yang melalui konduktor tersebut dengan flux sebesar 0,4π NI. Dimana: 0,4π adalah konstanta, NI disebut Amper Turn. Setiap terjadi penambahan arus ( I ), maka NI (turn) berubah dan kepadatan flux juga berubah. Self inductance (induksi sendiri) dalam rangkaian AC adalah konstan, dimana counter emf dapat dilihat dari power transformer (trafo). Contoh: Trafo pada gulungan primer teganganya 220 volt. Jika diukur dengan multimeter, tegangan DC akan berputar 1-5 ohm, penerapan pada output PLN 220 volt, maka arus yang mengalir: 220 Volt = = 44 ampere 5 Secara perhitungan, arus yang mengalir = 44 ampere, tetapi pada kenyataanya akan kurang dari 1 ampere, disini terlihat adanya suatu perlawanan selain dari DC resistance (tahanan DC) 5 ohm untuk tegangan AC, perlawanan ini adalah counter emf. Jika pemasangan gulungan primer pada tegangan DC 220 volt salah, maka arus yang mengalir = 44 ampere dan trafo akan terbakar. Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -3 Besarnya Counter emf a. Besarnya induksi emf dalam unit, panjang konduktor tergantung pada banyaknya flux yang terpotong per detik. Prinsip ini di dasarkan pada hukum Faraday. Induksi emf dalam suatu rangkaian tergantung pada rate penambahan flux yang dilingkari rangkaian tersebut. Tetapi tidak ada pergerakan fisik dalam konduktor, seperti disebutkan diatas bahwa eqivalent dari pergerakan adalah rate perubahan kepadatan flux. Dan kepadatan flux tergantung pada arus dalam konduktor tersebut. Semakin cepat perubahan arus, semakin besar counter emf dalam suatu tegangan AC. (alternating current) rate perubahan arus tergantung pada cycle per detik atau frekuensi, dengan demikian cemf tergantung pada frekuensi. b. Besar induksi emf juga tergantung pada panjang konduktor. Biasanya, panjang konduktor di gulung menjadi sebuah coil sehingga self inductance membesar karena bertambahnya kepadatan flux. Selain itu, dengan penambahan inti (core) yang permeabilitas bahannya tinggi akan memperbesar emf. Besarnya counter emf ditentukan dengan rumus : - 0,4 π N2 μA cemf = x l dimana : di dt 0,4 = Konstanta N = Jumlah gulungan μ = Permeabilitas A = Luas penampang l = Panjang gulungan Karakteristik fisik ini disebut geometri dari coil dengan faktor : 0,4π N2 μA l Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -4 Pernyataan berikut ini adalah rumus induktansi dengan simbol L, yaitu : 0,4 π N2 μ A L= l dengan substitusi L, maka: di Tanda (–) adalah simbol perlawanan cemf = - L dt b e a A= a xb Gambar 4-3 Induktansi dan inti (core) besi Pengukuran Inductance Unit pengukuran inductance adalah Henry. Satu Henry = “perubahan induktansi aliran arus 1 ampere per detik menyebabkan perubahan cemf sebesar 1 volt”. Jika emf dalam volt dan perubahan arus dalam ampere, harus ditambahkan factor 10-8 , maka : 0,4 π N2 μ A L= x 10 l L = Inductance N = Jumlah gulungan coil μ = Permeability Inti A = Luas Inti cm2 L = panjang inti cm -8 Inductive Reactance Perlawanan terhadap perubahan arus pada inductance disebut emf. Pada rangkaian DC, setiap perlawanan terhadap arus yang mengalir disebut resistance (satuan ohm). Pada rangkaian AC, untuk mengukur suatu perlawanan induktif, dipakai satuan dalam ohm, bukan emf atau volt. Bentuk perlawanan rangkaian Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -5 AC di sebut inductive reactance dengan simbol XL. Dalam rangkaian AC, rate perubahan arus tergantung kecepatan sudut tegangan, dimana setiap cycle adalah 2π radian, kecepatan sudut suatu gelombang sinus (sine wave) sama dengan 2π x frekuensi. Oleh karena itu, inductive reactance adalah sama dengan inductance x kecepatan sudut. Atau XL = 2π x f x L dimana Dari rumus diatas, harga reaktansi induktif (XL) perubahannya tergantung pada frekuensi Contoh : Induktansi 20 Henry, di pasangkan pada tegangan 110 volt, 60 Hertz. XL = 2πfL Maka : = 6,28 x 60 x 20 I = 7,536 Ohm Arus yang mengalir E I= 110 = XL 110 V 60 Hz = 7,536 Ampere 7,536 Simulasi A Pertama 1. Rangkai gambar berikut. +88.8 mA L1 1000 VS1 12V LAMP Gambar 4-4 Rangkaian Percobaan Simulasi 1 Lakukan pengujian dan amati, catat hasilnya pada lembar terpisah. Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA L 4 -6 2. Rangkai gambar berikut. LAMP 1 LAMP 2 RL1 VS 12V 12V VS2 12V Gambar 4-5 Rangkaian Percobaan Simulasi 2 a. Lakukan pengujian dan amati, catat hasilnya pada lembar terpisah. b. Ganti tombol dengan resistor variable, lalu lakukan pengujian dan amati, catat hasilnya pada lembar terpisah. Tugas Akhir Buat kesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan. Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -7 4.2.2 Relay Relay adalah komponen elektronika berupa saklar elektronik yang digerakkan oleh arus listrik, ditemukan pertama kali oleh Joseph Henry pada tahun 1835. Secara prinsip, relay merupakan tuas saklar dengan lilitan kawat pada batang besi (solenoid) di dekatnya. Ketika solenoid dialiri arus listrik, tuas akan tertarik karena gaya magnet yang terjadi pada solenoid sehingga kontak saklar akan menutup. Pada saat arus dihentikan, gaya magnet akan hilang, tuas akan kembali ke posisi semula dan kontak saklar kembali terbuka. Relay biasanya digunakan untuk menggerakkan arus/tegangan yang besar (misalnya peralatan listrik 4 ampere AC 220 V) dengan memakai arus/tegangan yang kecil (misalnya 0.1 ampere 12 Volt DC). Dalam pemakaiannya, relay yang digerakkan dengan arus DC, dilengkapi sebuah dioda yang di-paralel dengan lilitannya dan dipasang terbalik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya. Gambar 4-6 Bentuk fisik Relay Penggunaan relay perlu memperhatikan tegangan pengontrolnya serta kekuatan relay men-switch arus/tegangan. Biasanya ukurannya tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman.Relay jenis lain ada yang namanya reedswitch atau relay lidi. Relay jenis ini berupa batang kontak terbuat dari besi pada tabung kaca kecil yang dililit Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -8 kawat. Pada saat lilitan kawat dialiri arus, kontak besi tersebut akan menjadi magnet dan saling menempel sehingga menjadi saklar ‘On’. Ketika arus pada lilitan dihentikan, medan magnet hilang dan kontak kembali terbuka (off). Bagian dan Jenis Relay Sebagai sebuah saklar elekronis yang dapat dikendalikan dari rangkaian elektronik lainnya. Relay terdiri dari 3 bagian utama, yaitu: 1. Koil : lilitan dari relay 2. Common : bagian yang tersambung dengan NC (dlm keadaan normal) 3. Kontak : terdiri dari NC dan NO NC (Normally Closed) : saklar dari relay yang dalam keadaan normal (relay tidak diberi tegangan) terhubung dengan common. NO (Normally Open) : saklar dari relay yang dalam keadaan normal (relay tidak diberi tegangan) tidak terhubung dengan common. Cara mengetahui relay tersebut masih berfungsi atau tidak dapat dilakukan dengan cara memberikan tegangan yang sesuai dengan relay tersebut pada bagian koilnya. Jika kontaknya masih bekerja NC-->NO atau NO-->NC, maka dapat dikatakan bahwa relay tersebut masih dalam keadaan baik. Relay dibedakan dalam lima jenis: SPST - Single Pole Single Throw SPDT - Single Pole Double Throw. Terdiri dari 5 buah pin, yaitu: (2) koil, (1) common, (1) NC, (1) NO. DPST - Double Pole Single Throw. Setara dengan 2 buah saklar atau relay SPST. DPDT - Double Pole Double Throw. Setara dengan 2 buah saklar atau relay SPDT. QPDT - Quadruple Pole Double Throw. Sering disebut sebagai Quad Pole Double Throw, atau 4PDT. Setara dengan 4 buah saklar atau relay SPDT atau dua buah relay DPDT. Terdiri dari 14 pin (termasuk 2 buah untuk koil). Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -9 Gambar 4-7 Jenis-Jenis Relay 4.2.3 Motor DC Motor DC (motor arus searah) adalah sebuah mesin listrik yang berfungsi mengubah tenaga listrik DC menjadi tenaga mekanik (gerak) berupa putaran motor. Prinsip keja motor DC adalah kalau sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet utara dan selatan, maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang akan menggerakan kawat itu. Arah putaran motor DC dapat ditentukan dengan “kaidah tangan kiri” yang berbunyi: “apabila tangan kiri terbuka dan diletakkan diantara kutub utara dan kutub selatan, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub magnet menembus telapak tangan kiri dan arus didalam kawat mengalir searah dengan keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari”. Motor dc memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan jangkar dan kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Pada motor dc kumparan medan disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang berputar). Jika tejadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tagangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip dari arus searah adalah membalik phasa negatif dari gelombang sinusoidal menjadi gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang bebalik arah dengan Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -10 kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet, dihasilkan tegangan (GGL) seperti yang terlihat pada Gambar dibawah ini sebagai berikut : Gambar 4-8 Gelombang Arus Searah Pada Gambar diatas, Daerah kumparan medan yang yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus berfungsi sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi. Dengan mengacu pada hukum kekekalan energi : Proses energi listrik = energi mekanik + energi panas + energi didalam medan magnet Maka dalam medan magnet akan dihasilkan kumparan medan dengan kerapatan fluks sebesar B dengan arus adalah I serta panjang konduktor sama dengan L maka diperoleh gaya sebesar F, dengan persamaan sebagai berikut : F = B I L..................................................................................(pers .1) Arah dari gaya ini ditentukan oleh aturan kaidah tangan kiri, adapun kaidah tangan kiri tersebut adalah sebagai berikut : Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -11 Ibu jari sebagai arah gaya ( F ), telunjuk jari sebagai fluks ( B ), dan jari tengah sebagai arus ( I ). Bila motor dc mempunyai jari-jari dengan panjang sebesar ( r ), maka hubungan persamaan dapat diperoleh : Tr = Fr = B I L r.....................................................................(pers 2.) Saat gaya ( F ) tersebut dibandingkan, konduktor akan bergerak didalam kumparan medan magnet dan menimbulkan gaya gerak listrik yang merupakan reaksi lawan terhadap tegangan sumber. Agar proses perubahan energi mekanik tersebut dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar dari pada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor. Konstruksi Motor DC Bagian-bagian yang penting dari motor dc dapat ditunjukkan pada Gambar 4.9, dimana stator mempunyai kutub yang menonjol dan ditelar oleh kumparan medan. Pembagian dari fluks yang terdapat pada daerah celah udara yang dihasilkan oleh lilitan medan secara simetris yang berada disekitar daerah tengah kutub kumparan medan. Kumparan penguat dihubungkan secara seri, letak kumparan jangkar berada pada slot besi yang berada disebelah luar permukaan jangkar. Pada jangkar terdapat komutator yang berbentuk silinder dan isolasi sisi kumparan yang dihubungkan dengan komutator pada beberapa bagian yang berbeda sesuai dengan jenis belitan. Gambar 4-9 Konstruksi Motor dc Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -12 Torsi Motor Torsi motor didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya pada motor yang dapat mempengaruhi beban untuk ikut bergerak. Ketika sumber tegangan dihubungkan pada brush (sikat) motor, maka arus yang mengalir masuk ke kutub positif brush, melalui komutator dan kumparan armatur, serta keluar melalui daerah kutub negatif dari brush. Pada saat yang bersamaan, arus juga mengalir melalui kumparan medan magnet. Penerapan kaidah tangan kanan pada konduktor armatur yang berada dibawah kutub utara (D) memperlihatkan kumparan medan magnet yang memperkuat gaya keatas agar dapat mendorong konduktor. Gambar 4-10 Arah arus armatur untuk putaran searah jarum jam Ketika kumparan medan magnet berada dibawah posisi kutub selatan E, gaya akan memotong kearah kanan, kemudian menekan kebawah, sedangkan kutub utara F dan selanjutnya akan bergerak mendorong kearah kiri dibawah kutub selatan G, sehingga terbentuk suatu arah gaya yang dapat mengakibatkan konduktor armatur yang bergerak searah dengan arah jarun jam seperti pada Gambar 4. 10. Dalam kondisi armatur yang berputar, dimana konduktor bergerak dibawah kutub menuju ke kondisi neutralplane, kondisi arus menjadi reverse karena komutator. Dari proses tersebut diperoleh suatu kenyataan yang sama, bila arus yang mengalir melalui kumparan armatur dalam kondisi reverse dengan proses membalik posisi armatur. Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA 4 -13 Namun arahnya akan meninggalkan polaritas medan yang bersangkutan, maka torsi yang dibangkitkan akan bergerak kearah yang berlawanan dengan arah jarum jarum jam. Sedangkan torsi yang dibangkitkan pada motor dc merupakan gabungan aksi dari fluks medan ( Ф ), arus armatur ( Ia ) yang menghasilkan medan magnet didaerah sekitar konduktor. Oleh karena itu diperoleh persamaan torsi ( T ) sebagai berikut : T = k Ф Ia............................................................................(pers 2.3) Panduan Praktikum AVR Atmega8535 LPKIA