BAB III PERANCANGAN ALAT

BAB III
PERANCANGAN ALAT
3.1 Perancangan Alat
Perancangan merupakan suatu tahap yang sangat penting dalam
pembuatan suatu alat, sebab dengan menganalisa komponen yang digunakan
maka alat yang akan dibuat dapat bekerja seperti yang diharapkan. Petunjuk yang
memuat spesifikasi komponen atau datasheet merupakan petunjuk yang sangat
penting dalam melakukan perancangan alat, maka kegiatan selanjutnya adalah
buat ke dalam bentuk yang lebih kompleks.
Untuk mendapatkan hasil yang optimal, harus terlebih dahulu dibuat
suatu rancangan yang baik. Dengan memperhatikan sifat dan karakteristik dari
tiap-tiap komponen yang digunakan, pada saat perancangan alat dan sistem
sehingga dapat mempermudah dalam pengerjaan.
3.2 Konfigurasi Sistem
Motor sebagai media penggerak utama pada generator DC dengan
putaran gear mekanik yang menghasilkan arus searah 12 – 15 Volt DC. Daya
yang dihasilkan generator DC kemudian dikoversikan ke sistem charger baterai.
Teganggan pada baterai/accu diubah tegangannya pada sistem inverter
(mengubah teganggan searah DC menjadi tegangan bolakbalik AC) dengan arus
bolak balik 220V.
18
http://digilib.mercubuana.ac.id/
19
3.3 Blok Diagram Sistem Rangkaian
Diagram sistem rangkaian merupakan salah satu bagian terpenting dalam
perancangan peralatan elektronik, karena diagram blok dapat diketahui prinsip
kerja suatu rangkaian dari keseluruhan alat yang dibuat. Sehingga keseluruhan
blok dari alat yang dibuat dapat membentuk suatu sistem yang dapat difungsikan
atau sistem yang bekerja sesuai dengan perancangan. Keseluruhan dari diagram
blok dari alat yang dibuat dapat dilihat pada gambar 3.1 dibawah ini.
Gambar 3.1 Diagram Blok sistem
Dari blok diagram diatas dapat dilihat bahwa putaran mekanik motor
sebagai pengerak generator DC, Generator DC menghasilkan daya yang diproses
ke charger untuk mengisi baterai / accu. Pada sitem inverter kemudia daya dari
baterai / accu diproses dari tegangan DC menjadi tegangan AC. Besarnya daya
yang dihasilkan inverterter tergantung pada besarnya daya suplay 12 volt misalnya
60A,10A,9A. Ukuran trafo juga sangat mepengaruhi daya inverter untuk
menanmbah daya maka tambahkan transistor dengan jenis yang sama.
Putaran motor kinetic dengan generator DC tersebut diproses melalui
charger dan dikeluarkan kembali untuk mengisi baterai / accu. Generator akan
menghasilkan tegangan apabila putaran dari motor konstan pada media mekanik
putar. Sebelum merencanakan sistem perangkat electrical keseluruhan dari blok
diagram diatas, sangat penting juga untuk mengambarkan sistem rangkaian
electrical sehingga pada saat perancangan sudah mengetahui proses simulasi alat.
Keseluruhan line diagram rangkaian yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.2
dibawah ini.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
20
Gambar 3.2 Line diagram rangkaian elektrikal sistem
3.4 Perencanaan Sistem Perangkat Elektrical
Perancangan sistem rangkaian electrikal bertujuan untuk menjalankan
suatu
sistem dengan fungsinya masing-masing. Sedangkan perancangan
perangkat keras elektronik terdiri dari perancangan baterai/accu charger sebagai
pusat pengontrolan pada waktu pengisian baterai/accu. Perancangan rangkaian
invereter sebagai pengubah tegangan dc to ac. Pada perancangan sistem perangkat
elektrikal terdapat beberapa bagian rangkaian, antara lain yaitu :

Rangkaian baterai/accu charger.

Rangkaian inverter DC to AC.

Rangkaian control motor penggerak.

Transformator (Trafo).

Baterai/Accu.
3.5 Rangkaian Baterai / accu Charger.
Rangkaian charger berfungsi sebagai pengisian baterai / accu yang
sumber daya dari generator DC. Sumber dari generator DC diproses dan
dijadikan saat pengisian dilakukan pada tegangan baterai / accu dengan level
tertentu. Sedangkan untuk kontinyu, tegangan charger dibuat sama dengan
tegangan penuh baterai / accu. Jika baterai / accu sudah terisi penuh maka led
http://digilib.mercubuana.ac.id/
21
indicator secara otomatis akan menyala dikarenakan kenaikan tegangan pada
baterai / accu yang dicharger akan menyebabkan kenaikan arus yang mengalir
pada basis transistor 1K serta akan memutuskan siklus pengisian akibat transistor
1,2 k mengalami pemutusan sistem (cut off) dikarenakan kekurangan arus basis.
Pada kondisi tersebut akan mengalami kekurangan arus basis hal ini
dikarenakan hampir semua arus pada R1 10 kohm akan berpindah ke diode D3
yang secara logika terhubung langsung dengan ground akibat Q2 mengalami
jenuh. Sebagai penyimpanan tegangan 12 volt yang dibutuhkan oleh rangkaian
charger adalah baterai / accu.
Gambar 3.3 Line Diagram rangkaian charger baterai / accu.
Gambar 3.4 Tampak atas perangkat charger Baterai
http://digilib.mercubuana.ac.id/
22
Gambar 3.5 Tampak belakang perangkat charger Baterai
3.6 Rangkaian Inverter
Rangkaian inverter adalah suatu sistem yang mengubah tegangan searah
DC menjadi tegangan AC. Inverter tidak mengubah besaran arus listrik tapi
mengubah besaran tegangan atau voltase listrik dan polaritasnya. Meskipun
kenyataannya arusnya juga berubah, yaitu menjadi lebih kecil. Secara teoritis
daya yang dimasukkan kerangkaian akan sama dengan daya keluarannya. Jadi
kalau dianggap sama sedangkan voltase keluaranya lebih tinggi maka arusnya
akan menurun.
Suatu inverter dengan sumber masukan DC berupa aki 12 volt 7.2 Amper
maka daya arusnya adalah.
Berdasarkan rumus daya maka besarnya arus (I) dapat diperoleh
melalui persamaan :
P = V x I (Watt)
I =
(Amper)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
23
Dimana :
P = Daya Aktif (Watt)
S = Daya Nyata (VA)
I = Arus (A)
P = V X I P = 12VDC x 7.2 = 86.4 watt
.
I =
I =
= 0.39 Amper
Sehingga arus keluaranya dengan tegangan 220VAC setelah di
inverter adalah :
P = V X I P = 220VAC x 0.39 = 85 watt
Cara kerja inverter, Sebuah rangkaian inverter biasanya terdiri dari
rangkaian flip-flop, penguat arus dan trafo. Flip-flop pada rangkaian yang
berfungsi untuk membangkitkan denyut listrik dengan interval tertentu. Untuk
inverter disetting 60 Hz sesuai dengan tegangan PLN. Denyut listrik dari flipflop adalah listrik berpolaritas AC, dengan arus yang relatif kecil. Untuk itu
diperlukan penguat daya untuk menimbulkan fluks-fluks tegangan pada inti trafo
dan kemudian menginduksi tegangan. Rangkaian inverter ditunjukan pada
gambar berikut.
Gambar 3.6 Line Diagram rangkaian Inverter
http://digilib.mercubuana.ac.id/
24
Gambar 3.7 Tampak atas Perangkat Inveter
Gambar 3.8 Tampak belakang Perangkat Inveter
3.7 Rangkaian control motor penggerak
Rangkaian motor penggerak berfungsi untuk meningkatkan dan
menurunkan kecepatan pada putaran motor DC (Rpm). Pengendalian kecepatan
putaran motor DC dengan memberikan sumber tegangan yang bervariasi sesuai
yang di inginkan, diperlukan suatu rangkaian yang dapat menurunkan dan
menaikkan sumber tegangan. Untuk keperluan tersebut diperlukan juga
http://digilib.mercubuana.ac.id/
25
komponen yang dapat dioperasikan secara manual serta diperlukan juga
pengawatan yang berbeda-beda antara motor DC dengan masing-masing sumber
tegangan yang besarnya berbeda.
Cara kerja dari sistem rangkaian control motor pengerak, dengan
pengendalian putaran kecepatan motor DC dengan resistor yang dirangkai secara
seri tidak jauh beda dengan menggunakan sumber tegangan. Teknik lain yang
dapat digunakan adalah dengan mengatur lebar pulsa dari sinyal potensio yang
diatur yang diumpan kerangkaian kendali (driver) motor DC. Modulasi ini adalah
dengan mengatur durasi waktu tunda positif di Q1 atau waktu tunda, untuk
membangkitkan sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Semakin lebar waktu
durasi tunda positif dari sinyal PWM yang dihasilkan maka putaran motor akan
semakin cepat, demikian juga dengan sebaliknya. Rangkaian penggatur
kecepatan motor ditunjukan pada gambar berikut.
Gambar 3.9 Line Diagram rangkaian penggatur kecepatan motor DC
http://digilib.mercubuana.ac.id/
26
Gambar 3.10 Tampak atas rangkaian penggatur kecepatan motor DC
Gambar 3.11 Tampak belakang rangkaian penggatur kecepatan motor
DC
3.8 Transformator (Trafo)
Transformator atau Trafo berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan
tegangan arus bolak balik. Tranformator terdiri dari dua atau lebih kumparan
yang satu sama lain terpisah. Kumparan yang satu dihubungkan dengan tegangan
http://digilib.mercubuana.ac.id/
27
input yang disebut kumparan primer, sedangkan tegangan output diambil dari
tegangan skunder. Tranformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu:
 Kumparan pertama (Primer) yang bertindak sebagai input.
 Kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai ouput.
 Inti besi berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.
Gambar 3.12 Rangkaian Trafo dan Transformator
3.8.1 Prinsip Kerja Transformator
Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika
kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik,
perubahan arus listrik pada kumpara primer menimbulkan medan magnet
yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi
yang dihantarkan inti besi ke kumparan skunder, sehingga pada ujung-ujung
kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi
timbal balik (mutual inductance). Pada skema transformator dibawah ini,
ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer
berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan
berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder
akan berubah polaritasnya.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
28
3.8.2
Spesifikasi Transformator(Trafo)
Pada perancangan rangkaian inverter yang mengubah tegangan searah
(DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC), Trafo yang digunakan adalah trafo
step up 3 Amper. Transformator (trafo) digunakan menaikkan tegangan pada
output.
Gambar 3.13 Tampak kiri Trafo step up 3 Amper.
Gambar 3.14 Tampak kanan Trafo step up 3 Amper.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
29
Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan
sekunder transformator ada 2 jenis yaitu :
1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan
bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah
lilitan sekunder lebih banyak dari pada jumlah lilitan primer (NS > NP).
2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan
bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah
lilitan kumparan primer lebih banyak dari pada jumlah lilitan sekunder
(NP > NS).
Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh
kumparan sekunder adalah :
1. Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs – Ns).
2. Sebanding dengan besarnya tegangan primer (VS – VP).
3. Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer,
Vs ∼
sehingga dapat dituliskan
Vp = Tegangan primer (Volt)
Vs =
xVp
Vs = Tegangan sekunder (Volt)
Np = Jumlah lilitan primer
Ns = Jumlah lilitan sekunder
3.9 Baterai / Accu
Baterai digunakan sebagai sumber utama DC, baterai ini mempunyai
kemampuan 12 Volt 7.2 AH, tegangan dan arus akan menurun dan habis jika
digunakan pada pengegrak awal motor DC dan daya utama untuk proses inverter.
Maka digunakan suatu rangkaian pengisian yang dapat bekerja otomatis .
Untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan dalam pengisian dan
pemakaian diketahui dengan diketahui dengan mengunakan rumus sebagai
berikut :
http://digilib.mercubuana.ac.id/
30
Q = I . t (AH)
Dimana :
Q = Kemampuan arus dari (AH)
I = Arus pengisian baterai (A)
T = Waktu yang dibutuhkan dalam pengisian baterai (S)
Dan untukmengetahui berapa lama tahan baterai atau lama pengoperasian
alat yang diambil dari baterai sebagai sumber utama yaitu tergantung kepada
besarnya arus yang digunakan atau yang terpakai. Dapat juga ditentukan melalui
rumus :
Lama tahan baterai
Dimana :
It =
Ik = Kapasitas arus baterai
Ib = arus yang terpakai
It = Lama tahan baterai
Sehingga It =
.
= 2.4 menit (S)
Sesuai hasil perhitungan rumus, maka lama tahan baterai tanpa pengisian
ulang dengan beban 3 amper pada trafo 220VAC ialah 2,4 menit.
3.10 Perancangan Perangkat Keras Mekanik
Perencanaan perangkat keras sistem mekanik kinetik sebagai media
pengatur torsi dan kecepatan pada generator. Perencanaan ini terdiri dari
pengaturan peletakan posisi media kinetik gear dan diameter gear agar motor
dan generator berputar dengan baik. Pada perancangan alat perangkat keras
mekanik adalah media pengerak, terdapat 4 bagian yaitu :

Perancangan Gear Motor

Perancangan Gear Mekanik

Perancangan Gear Generator DC.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
31

Perancangan Rangka/Box Alat
3.11 Perancangan Gear Motor
Gear lebih besar dirancang pada motor penggerak berfungsi untuk
meningkatkan torsi pada putaran generator pada saat diberi beban. Spesifikasi
motor pengerak yang akan dipakai seperti gambar dibawah sebagai berikut:
Daya motor DC
: 12 Volt
Diameter gear motor
: 3 cm
Jumlah gigi gear
:
41cm
Gambar 3.15 Tampak atas gear motor dan spesifikasi gear.
3.11.1 Motor Penggerak
Motor adalah sebuah alat yang yang mengubah energi listrik menjadi
tenaga mekanik. Pada prinsip kerja motor listrik adalah mengunakan gaya
lorenntz, yaitu gaya yang membuat sebuah kawat yang dialiri listrik bergerak
jika didekatkan dengan medan magnet yang homogeny. Pada perancangan
alat motor berfungsi sebagai media penggerak kinetik generator DC, melalui
prose putaran motor dengan gear meneruskan putaran ke gear generator DC.
http://digilib.mercubuana.ac.id/
32
Gambar 3.16 Diagram Medan Magnet Motor
Pada gambar diatas bahwa apabila kawat dialiri listrik dibuat menjadi
kumparan dan kumparan tersebut berada didalam medan magnet yang
homogeny maka kumparan tadi akan berputar. Pada motor listrik bagian yang
berputar disebut rotor dan bagian yang diam disebut stator. Pada bagian rotor
ini lah terdapat kumparan yang mengakibatkan rotor berputar.
Gambar 3.17 Motor DC penggerak
3.11.2 Perancangan Gear Mekanik
Gear tengah berfungsi untuk sebagai pemindah putaran dari motor
tenaga penggerak ke generator DC yang akan digerakkan. Gear juga
merupakan suatu alat yang diperlukan untuk menyesuaikan daya kecepatan
putaran dan torsi (momen/daya) yang besar dari motor penggerak ke generator
http://digilib.mercubuana.ac.id/
33
DC. Generator DC yang akan diputar melalui proses gear konversi kinetik
putaran dan tosrsi akan stabil pada saat ada beban.
Gambar 3.18 Tampak atas kontruksi gear motor,
gear tengah, gear generator
Desain kontruksi gear dan ketepatan pemasangan mekanik motor
pengerak baik pada posisi pemasangan gear generator DC, Perlu diperhatikan
susunan dan diameter gear supaya motor pada saat memutar generator agar
mencapai putaran dan torsi yang maksimal. Seperti gambar dibawah ini.
Gambar 3.19 kontruksi rasio gear Motor dan Generator
http://digilib.mercubuana.ac.id/
34
Susunan gear mekanik diatas mempegaruhi putaran dan torsi pada
generator, pada gear motor DC lebih besar bertujuan untuk meningkatkan torsi
pada gear 1, kemudian gear 1 mempercepat putaran dan torsi ke gear generator.
Mengetahui torsi dan putaran pada metode mekanik putaran didapat dengan
rumus sebagai berikut.
Untuk mengetahui putaran gear motor dengan Gear 1 ialah.
Spesifikasi gear Motor :
Spesifikasi Gear Tengah :
- Diameter gear = 3cm
- Diameter gear = 1.5cm
- Jumlah gigi
- Jumlah gigi
= 41
= 19
- Jika putaran motor = 30 Rpm
=
Sehingga
x
=
x
,
=
Q2
.
,
=
X 30 Rpm
Q2 = 32 Rpm
Untuk mengetahui putaran gear tengah dengan gear generator ialah.
Spesifikasi gear Tengah :
Spesifikasi gear generator :
- Diameter gear = 1.5cm
- Diameter gear = 2cm
- Jumlah gigi
- Jumlah gigi
= 19
- Putaran pada Q2 = 32 Rpm
=
x
=
http://digilib.mercubuana.ac.id/
x
.
= 27
35
=
Q3=
.
.
X 32Rpm
Q3 = 30 Rpm
Dimana :
Q2 = Putaran input
Q3 = Putaran output
N = Jumlah Gigi
Dia = Diameter Gear
Sehingga putaran pada gear tengah atau Q2 yang sesuai hasil
perhitungan rumus ialah 32 Rpm. Pada gear generator DC atau Q3 adalah 30
Rpm , pada gear tengah lebih cepat dari gear motor penggerak. Proses putaran
kinetik gear tengah dengan gear generator DC melambat, akan tetapi pada
metode mekanik antara gear tengah dengan gear generator DC untuk
meningkatkan torsi yang bertujuan pada saat generator dibebani lebih ringan
putaran pada motor.
3.12 Perancangan Gear Generator DC
Generator DC menghasilkan daya arus yang diproses charger baterai
untuk mengisi baterai. Generator akan menghasilkan daya arus listrik 12 Volt
apabila mendapatkan putaran yang konstan pada media kinetik putar. Gear pada
generator disain lebih kecil bertujuan untuk memperingan torsi pada saat ada
beban. Spesifikasi motor pengerak yang akan dipakai seperti gambar dibawah
sebagai berikut:
Output Generator DC
: 12 – 24 VDC / 30 Watt
Diameter gear motor
: 2 cm
Jumlah gigi gear
: 21 set
http://digilib.mercubuana.ac.id/
36
Gambar 3.20 Generator DC tampak atas.
Gambar 3.21 Tampak depan Generator DC dan gear
3.13 Perancangan Rangka/Box alat
Perancangan rangka alat bertujuan untuk menumpu perangkat-perangkat
yang akan dipasang dan disusun menjadi suatu Alat. Untuk merancang rangka
alat maka perlu diperhatikan mulai dari pemilihan bahan, desain kontruksi
peletakan motor dan generator DC, baterai/accu, Trafo dan rangkaian
controlnya.
Pada tugas akhir ini, lantai tumpuan dibuat dari papan kayu dan siku
almunium sebagai pengangan acrelic dengan alasan bahan ini cukup kuat untuk
http://digilib.mercubuana.ac.id/
37
menopang kontruksi. Adapun bahan yang dibutuhkan untuk perancangan
rangka alat adalah :

Papan tumpu

Acrelic

Mur scrup

Almunium siku.
Dengan spesifikasi rangka alat yang dibuat berbentuk box persegi dengan
dimensi ukuran sebagai berikut :



Panjang : 29 Cm
Lebar : 22 Cm
Tinggi : 20 Cm
Gambar 3.22 Tampak depan box alat
http://digilib.mercubuana.ac.id/
38
Gambar 3.23 Tampak sebelah kiri box alat
Gambar 3.24 Tampak sebelah kanan box alat
http://digilib.mercubuana.ac.id/
39
Gambar 3.25 Tampak belakang box alat
http://digilib.mercubuana.ac.id/