BAB II

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=axb
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 :
2
0,4 π N μ A
L=
x 10
l
-8
L
= Inductance
N
= Jumlah gulungan coil
μ
= Permeability Inti
A
= Luas Inti cm2
L
= panjang inti cm
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 (X L) perubahannya tergantung pada
frekuensi
Contoh : Induktansi 20 Henry, di pasangkan pada tegangan 110 volt, 60 Hertz.
Maka :
XL = 2πfL
= 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