bab ii landasan teori -...

5

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

6

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.

7

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

8

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.


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.

9


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.

10

Gambar 2.7 Gelombang Pulsa Sinyal Sensor Hall, Back EMF, Keluaran Torsi dan Fasa

11

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.

Gambar 2.8 Penggerak elektronik daya untuk motor brushless DC

Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

C1 A

B

C

12

SP PUTARAN

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 gaya

elektromagnetik pada rotor sehingga motor dapat berputar.

MIKROKONTROLER

( PWM )

VOLTAGE CONTROL /

POWER DRIVER MOTOR

( PLANT )

SENSORS

( SPEED & ANGLE )

MOTOR BLDC

13

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 )

14

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)

15

Kg = Berat Beban/Massa (kg)

M/s = Kecepatan (M/s)

P = Daya Motor ( Watt )

n = Putaran Motor ( Rpm )

2π = 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 )

16

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

17

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.

18

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 1200 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

19

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

20

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.

21

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

22

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

23

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 VDS 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

24

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

kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah

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

25

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 SiO2 (kaca).

Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga

dengan nama D-MOSFET.

26

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. Satu-

satunya 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

27

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 VGS 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

28

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.

29

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, spesifikasi-

spesifikasi 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 FET-

FET 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 rugi-

rugi 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.

30

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

No

Kaki G

Terminal

(+)

Kaki D

Terminal

(+)

Kaki S

Terminal

(+)

Kaki G

Terminal

(-)

Kaki D

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.

31

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

32

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




5. IC 7905 untuk menstabilakn tegangan DC -5 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.

33

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 bermacam-

macam. 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.

34

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.

35

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.

36

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 .

37

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.

38

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).

39

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).

40

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

http://fahmizaleeits.files.wordpress.com/2010/07/pulsa-pwm.jpg

41

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

42

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

43

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.

bab ii landasan teori -...

Documents