Download - Diktat Pengantar
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
1
Diktat Kuliah
Pengantar Teknologi Informasi & Industri
Jilid I
oleh
Dr. Ir. Slamet Riyadi
Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata
Semarang September 2011
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
i
SAMBUTAN DEKAN
Kegiatan belajar mengajar di Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik
Soegijapranata menuntut peran aktif para dosen dalam mengembangkan wawasan
keilmuannya mengingat perkembangan disiplin teknik elektro yang begitu pesat.
Peletakan dasar pemahaman keteknikan sangat diperlukan khususnya teknik elektro.
Sebagai mata kuliah dasar keteknikan, Pengantar Teknologi Informasi dan Industri
memerlukan materi yang benar-benar dapat diserap secara prinsip oleh mahasiswa
semester awal dan mampu memberi bekal untuk memahami mata kuliah teknik elektro
lebih lanjut. Sebagai Dekan, saya sangat memberikan apresiasi atas tersusunya Diktat
Pengantar Teknologi Informasi dan Industri Jilid I yang menekankan pada beberapa
topik terkait bidang industri.
Semarang, September 2011
Dekan FTI
Dr. F. Budi Setiawan
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kami ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Rahmat-Nya
karena Diktat Pengantar Teknologi Informasi dan Industri Jilid I dapat diselesaikan.
Diktat ini disusun atas dasar kajian, pengalaman dan hasil penelitian yang kami lakukan.
Sangat diharapkan bahwa diktat ini dapat menjadi pendukung mata kuliah terkait. Kami
menyadari bahwa diktat ini masih jauh dari sempurna sehingga kritik dan saran pembaca
sangat kami tunggu.
Semarang, September 2011
Penulis
Slamet Riyadi
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
iii
DAFTAR ISI
SAMBUTAN DEKAN i
KATA PENGANTAR ii
DAFTAR ISI iii
DAFTAR GAMBAR v
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Gambaran Umum Materi Kuliah 1
1.2. Relevansi Isi Diktat dengan Bidang Lain 2
1.3. Tujuan Pembelajaran Umum 2
1.4. Petunjuk Mempelajari Diktat 3
BAB 2 TEKNIK TENAGA LISTRIK
2.1. Pendahuluan 4
2.2. Tujuan Pembelajaran 4
2.3. Kegiatan Belajar 5
2.3.1 Sistem Kelistrikan 5
2.3.2. Satuan dalam Sistem Kelistrikan 7
2.3.3. Sumber Tegangan AC 8
2.3.4. Sumber Tegangan DC 11
2.4. Latihan 15
2.5. Tugas 17
2.6. Rangkuman 18
2.7. Daftar Pustaka 18
BAB 3 KEMAGNETAN
3.1. Pendahuluan 19
3.2. Tujuan Pembelajaran 20
3.3. Kegiatan Belajar 20
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
iv
3.3.1 Besaran Magnet 20
3.3.2. Sifat Magnet 21
3.3.3. Gaya Akibat Interaksi Medan Magnet dan Arus Listrik 24
3.3.4. Gaya Akibat Medan Magnet 28
3.3.5. Tegangan Akibat Medan Magnet 30
3.4. Latihan 32
3.5. Tugas 35
3.6. Rangkuman 36
3.7. Daftar Pustaka 36
BAB 4 ELEMEN RANGKAIAN
4.1. Pendahuluan 37
4.2. Tujuan Pembelajaran 37
4.3. Kegiatan Belajar 37
4.3.1 Resistor 37
4.3.2. Kapasitor 39
4.3.3. Induktor 42
4.3.4. Sumber Bebas dan Sumber Tak Bebas 44
4.4. Latihan 45
4.5. Tugas 48
4.6. Rangkuman 48
4.7. Daftar Pustaka 48
BAB 5 MOTOR LISTRIK
5.1. Pendahuluan 50
5.2. Tujuan Pembelajaran 50
5.3. Kegiatan Belajar 50
5.3.1 Motor DC Konvensional 50
5.3.2. Motor AC 54
5.3.3. Motor DC Modern 60
5.4. Latihan 65
5.5. Tugas 67
5.6. Rangkuman 67
5.7. Daftar Pustaka 68
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar-2.1 (a) batere dan (b) generator 5
Gambar-2.2 Skema kelistrikan dasar 6 Gambar-2.3
Sistem sederhana dengan sebuah sumber yang terhubung pada dua buah beban 6
Gambar-2.4 Diagram lengkap dari sistem 7
Gambar-2.5 Multimeter digital 8 Gambar-2.6
Gelombang AC berbentuk sinusoidal dengan nilai efektif 220 Volt pada frekuensi 50 Hz 9
Gambar-2.7
Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu yang diputar searah dengan jarum jam 10
Gambar-2.8 Fluksi magnet dari rotor menembus kumparan pada stator 10
Gambar-2.9 Gelombang tegangan pada terminal generator tiga fasa 10 Gambar-2.10
Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu (2 pasang kutub) 11
Gambar-2.11 Generator sinkron dengan rotor kutub silindris 11
Gambar-2.12 (a) prinsip batere (b) macam ukuran batere 12
Gambar-2.13 Tegangan batere jenis Li-ion saat pemakaian 12
Gambar-2.14 Peneyarah dioda setengah jembatan 13 Gambar-2.15
Gelombang tegangan peneyarah dioda setengah jembatan (a) tegangan masukan (b) tegangan keluaran tanpa tapis C 13
Gambar-2.16
Penyearah dioda gelombang penuh (a) dengan trafo CT (b) model jembatan 14
Gambar-2.17 Penampang generator DC 14
Gambar-2.18 Rotor dari geneartor DC yang diputar searah jarum jam 15
Gambar-2.19 Skema untuk latihan-1 15
Gambar-2.20 Pemasangan alat ukur (a) Voltmeter (b) Amperemeter 16
Gambar-2.21 Sumber tegangan tak ideal 16
Gambar-3.1 Fluksi bergerak dari kutub magnet N menuju ke kutub S 22
Gambar-3.2 Posisi kutub magnet bumi pada posisi geografis 22 Gambar-3.3
Arah fluksi magnet pada konduktor lurus yang dialiri arus listrik 23
Gambar-3.4
Arah fluksi magnet pada konduktor melingkar yang dialiri arus listrik 24
Gambar-3.5 Arah fluksi magnet pada lilitan yang dialiri arus listrik 24
Gambar-3.6 Kaedah tangan kanan 25
Gambar-3.7 Arah arus yang menghasilkan gaya ke bawah 25
Gambar-3.8 Arah arus yang menghasilkan gaya ke atas 26 Gambar-3.9
Dua konduktor dengan arah arus berlawanan menghasilkan dua gaya berlawanan 26
Gambar-3.10 Konsep motor DC 26
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
vi
Gambar-3.11
Inti besi untuk mengalirkan fluksi yang dihasilkan oleh lilitan dialiri arus listrik 27
Gambar-3.12 Celah udara pada inti besi 28 Gambar-3.13
Gaya yang dihasilkan oleh dua magnet permanen (a) fluksi pada magnet permanen (b) gaya tarik-menarik (c) gaya tolak-menolak 28
Gambar-3.14
Arah fluksi magnet ditentukan oleh arah arus listrik pada lilitan 29
Gambar-3.15
Gaya yang dihasilkan oleh elektromagnet dan magnet permanen (a) gaya tarik-menarik (b) gaya tolak-menolak 29
Gambar-3.16
Motor listrik sederhana dengan cakram dan magnet permanen 30
Gambar-3.17 Motor listrik sederhana dengan cakram dan elektromagnet 30
Gambar-3.18 Fenomena terjadinya tegangan induksi 31
Gambar-3.19 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada stator 31
Gambar-3.20 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada rotor 32
Gambar-3.21 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik DC 33
Gambar-3.22 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik AC 33
Gambar-3.23 Tegangan induksi tidak terjadi saat medan magnet konstan 34 Gambar-3.24
Tegangan induksi dibangkitkan saat medan magnet berubah terhadap waktu 34
Gambar-3.25
Tegangan induksi tidak dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan DC 35
Gambar-3.26
Tegangan induksi akan dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan AC 35
Gambar-4.1 Sistem pengkodean warna cincin resistor 38
Gambar-4.2 Simbol macam-macam resistor 39
Gambar-4.3 Kapasitor pelat sejajar 40
Gambar-4.4 Kapasitor dan rangkaian ekuivalen 40
Gambar-4.5 Kurva tegangan dan arus pengisian kapasitor 40
Gambar-4.6 Rangkaian kapasitor yang dihubung paralel 41
Gambar-4.7 Rangkaian kapasitor yang dihubung seri 42
Gambar-4.8 Induktor dan rangkaian ekuivalen 42
Gambar-4.9 Kurva perubahan arus dan tegangan terhadap waktu 43
Gambar-4.10 Sumber tegangan dan arus bebas 44
Gambar-4.11 Sumber tegangan dan sumber arus tak bebas 45
Gambar-4.12 Rangkaian RL dengan sumber tegangan DC 45 Gambar-4.13
Arus yang mengalir dan tegangan pada rangkaian RL dengan sumber tegangan DC 46
Gambar-4.14
Rangkaian untuk menjelaskan induktor sebagai elemen penyimpan energi 46
Gambar-4.15
Mode operasi saat induktor menyerap energi dan membuang energi 47
Gambar-4.16
Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi 47
Gambar-4.17
Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi 48
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
vii
Gambar-5.1 Skema dasar motor DC 51
Gambar-5.2
Bagian pada motor Arus Searah, terdiri dari rotor (bagian yang berputar) terdapat belitan rotor untuk mengalirkan arus dan stator (bagian yang diam) 52
Gambar-5.3 Bagian motor DC (a) rotor (b) stator dengan belitan 52 Gambar-5.4
Motor DC penguatan terpisah (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 53
Gambar-5.5
Motor DC penguatan seri (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 53
Gambar-5.6
Motor DC penguatan shunt (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 54
Gambar-5.7
Motor DC penguatan Compound (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik 54
Gambar-5.8 Karakteristik torka-kecepatan motor induksi 56
Gambar-5.9 Bagian stator dari motor induksi 57
Gambar-5.10 Bagian rotor dari motor induksi (jenis squirrel cage) 57
Gambar-5.11 Rotor motor induksi jenis belitan 57
Gambar-5.12 Motor induksi satu fasa jenis kapasitor 58
Gambar-5.13 Motor induksi satu fasa jenis split-phase 59
Gambar-5.14 Motor induksi jenis shaded-pole 59
Gambar-5.15 Motor universal 59 Gambar-5.16
Beberapa motor BLDC tiga fasa yang dibedakan jumlah kutub stator dan rotor (a) dengan 2 set belitan stator dan 4 kutub rotor (b) dengan 3 set belitan stator dan 8 kutub rotor (c) dengan 4 set belitan stator dan 8 kutub rotor 61
Gambar-5.17
Konstruksi motor BLDC (a) inner rotor motor (b) outer rotor motor 61
Gambar-5.18 Motor BLDC 61 Gambar-5.19
Bagian stator dan rotor dari Switched Reluctance Motor (a) 4 phase 8/6 SRM (b) 3 phase 6/4 SRM 62
Gambar-5.20 Motor Reluctance 63
Gambar-5.21 Motor Stepper jenis magnet permanen 64
Gambar-5.22 Motor Stepper jenis variable reluctance 64
Gambar-5.23 Motor Stepper jenis hybrid 64
Gambar-5.24 Motor Stepper 65
Gambar-5.25 Operasi motor stepper secara full-step (step-1 dan step-2) 66
Gambar-5.26 Operasi motor stepper secara full-step (step-3 dan step-4) 66
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
1
Bab 1
Pendahuluan
1.1 Gambaran Umum Materi Kuliah
Kuliah Pengantar Teknologi Informasi dan Industri sesungguhnya merupakan
pengembangan dari mata kuliah Dasar Teknik Elektro yang berisikan pengantar dan
dasar-dasar terkait bidang keteknikan elektro. Pengembangan terletak pada pemberian
muatan teknologi informasi yang menjadi tren dewasa ini. Pada Buku Diktat Pengantar
Teknologi Informasi dan Industri Jilid I ini pokok bahasan difokuskan pada materi terkait
bidang industri.
Fokus pertama yang dipaparkan dalam diktat ini adalah teknik tenaga listrik. Materi yang
dipaparkan merupakan dasar yang teknik tenaga listrik yang mencakup sistem, satuan
dan tegangan yang umum digunakan dalam tenaga listrik. Pemahaman tentang elemen
sistem tenaga listrik mencakup definisi sumber, transmisi, kontrol daya dan beban listrik
mutlak harus diketahui oleh mahasiswa, begitu juga dengan satuan-satuan yang sering
dipakai. Sumber tegangan AC dan DC memegang peranana yang sangat penting karena
dalam setiap aplikasi selalu melibatkan elemen ini.
Fokus bahasan kedua yang diberikan adalah tentang medan magnet. Seorang Insinyur
teknik elektro memerlukan pengetahuan yang dalam tentang kemagnetan, karena
fenomena ini selalu muncul seiring dengan adanya arus dan tegangan listrik. Materi yang
dipaparkan pada bab ini mencakup besaran magnet, sifat magnet, gaya akibat interaksi
antara medan magnet dan arus listrik, gaya akibat medan magnet dan tegangan akibat
medan magnet.
Fokus bahasan yang ketiga adalah elemen rangkaian meliputi resistor, induktor dan
kapasitor. Dalam setiap rangkaian listrik ketiga elemen ini selalu muncul baik sendiri atau
bersamaan, karakteristik rangkaian dengan elemen yang berbeda akan menunjukkan
kinerja yang berbeda pula. Dasar-dasar jenis sumber juga ikut dipaparkan pada bab ini.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
2
Bahasan yang keempat adalah tentang motor listrik. Dalam disiplin teknik elektro
terutama yang memiliki kekhususan aplikasi industri, motor listrik memegang peranan
dominan dalam berbagai aplikasi sehingga pemahaman yang relevan sangat diperlukan.
Dalam materi motor listrik, dasar yang diuraikan mencakup prinsip kerja dan jenis motor
listrik yang ada dalam aplikasi.
1.2 Relevansi Isi Diktat dengan Bidang Lain
Diktat yang berisikan tentang materi dasar keilmuan dalam bidang teknik elektro ini
memiliki keterkaitan dam relevansi dengan bidang lainnya. Karena bahasan yang
dipaparkan bersifat dasar maka secara garis besar akan mudah dihubungkan dengan
bidang lain. Dengan bidang ketenagalistrikan, diktat ini diharapkan mampu memberikan
dasar yang dapat dipakai mahasiswa untuk mempelajari ilmu lebih lanjut. Beberapa
bidang lain yang memiliki relevansi dengan isi diktat ini antara lain adalah :
Medan elektromagnetik
Motor listrik
Rangkaian listrik
dll
1.3 Tujuan Pembelajaran Umum
Dalam menyusun diktat kuliah ini tujuan pembelajaran telah disesuaikan dengan silabi
yang digunakan untuk pengajaran kuliah di dalam kelas. Dengan mengacu pada isi materi
yang diuraikan dalam diktat ini, beberapa tujuan secara umum dapat diuraikan sebagai
berikut :
Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal dasar teknik tenaga
listrik
Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal dasar teori medan
magnet
Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal elemen-elemen
rangkaian
Memberikan pemahaman kepada mahasiswa untuk mengenal motor listrik, baik
terkait konsep maupun jenis
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
3
1.4 Petunjuk Mempelajari Diktat
Diktat ini diperuntukkan bagi mahasiswa semester awal sehingga tidak banyak
persyaratan yang disarankan untuk memahami isi diktat. Sebagai saran, maka penulis
mengharapkan mahasiswa yang menggunakan dapat mempelajari pustaka yang dirujuk
agar dapat memperdalam pengetahuan yang secara dasar disampaikan melalui buku
diktat ini.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
4
Bab 2
Teknik Tenaga Listrik
2.1 Pendahuluan
Energi listrik merupakan salah satu bentuk energi yang paling banyak dimanfaatkan oleh
umat manusia, hal ini dilandasi oleh kemudahan bentuk energi listrik diubah menjadi
bentuk energi lainnya. Penggunaan energi listrik dapat dijumpai pada sektor industri,
sektor perkantoran dan dalam aplikasi rumah tangga. Bagi orang awam memahami
disiplin ilmu teknik elektro yang mempelajari tentang masalah kelistrikan merupakan
langkah yang sangat sulit karena di dalam ilmu ini banyak susuatu yang merupakan
misteri, sulit dilihat tetapi ada dampaknya.
2.2 Tujuan Pembelajaran
Teknik tenaga listrik merupakan suatu topik yang sangat penting untuk dijadikan
pembahasan tingkat awal bagi mahasiswa teknik elektro. Topik teknik tenaga listrik yang
diuraikan pada bab ini memiliki beberapa tujuan, yaitu :
Memberikan dasar pemahaman bagi mahasiswa tentang sistem kelistrikan,
mencakup sumber, beban dan elemen lain
Memberikan pemahaman tentang satuan-satuan yang sering dipakai dalam
bidang teknik elektro
Memberikan dasar-dasar tentang sumber tegangan arus bolak-baik (AC) dan
tegangan searah (DC)
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
5
2.3 Kegiatan Belajar
2.3.1 Sistem Kelistrikan
Dalam kelistrikan dasar dapat ditemui beberapa istilah yang sangat penting dan selalu
dijumpai di setiap aspek. Istilah tersebut adalah :
Sumber energi listrik (source), yaitu elemen dalam sistem kelistrikan yang
berfungsi menyediakan energi. Yang termasuk sumber adalah batere, generator
(Gambar-2.1) dan lain-lain. Dalam pemahaman lebih lanjut maka sumber energi
masih dapat dibedakan menjadi sumber tegangan dan sumber arus ataupun
sumber DC (direct current = arus searah) dan sumber AC (alternating current =
arus bolak-balik)
Beban listrik (load), yaitu elemen dalam sistem kelistrikan yang berfungsi
menyerap energi. Yang termasuk beban adalah lampu, pemanas (heater). Motor
listrik, tanur listrik dan lain-lain.
Sistem transmisi, elemen ini berfungsi untuk menyalurkan energi dari sumber
menuju ke beban. Dalam realisasinya dapat berupa konduktor berisolasi ataupun
konduktor tanpa isolasi.
Kontrol, elemen ini berfungsi untuk mengendalikan aliran energi dari sumber ke
sisi beban. Realisasi elemen kontrol di antaranya adalah saklar, pemutus daya
dan lain-lain.
(a) (b)
Gambar-2.1 (a) batere dan (b) generator [1], [2]
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
6
BEBAN
KO
NT
RO
L
SUMBER
TRANSMISI
Gambar-2.2 Skema kelistrikan dasar
Energi listrik mengalir melalui sistem transmisi dalam bentuk arus listrik. Syarat yang
diperlukan agar arus listrik dapat mengalir adalah
Terdapat rangkaian tertutup, hal ini dapat diartikan jika pada sumber terdapat dua
terminal (misalkan terminal positif (+) dan terminal negatif (-) maka arus listrik akan
keluar dari terminal (+) masuk ke beban dan kembali ke terminal (-) dari sumber.
Untuk mendorong arus maka dibutuhkan beda potensial (tegangan).
Guna mempermudah pemahaman maka pada Gambar-2.3 disajikan suatu sistem
kelistrikan yang sangat sederhana di mana terdapat sebuah sumber berupa batere yang
mencatu dua buah beban berupa lampu dan motor listrik. Untuk menyalakan lampu atau
motor listrik dibutuhkan elemen kontrol berupa saklar (S1 dan S2). Jika saklar S1
dihubung secara seri dengan lampu maka agar lampu dapat menyala S1 harus dalam
posisi ON (terhubung) begitu juga untuk saklar S2 yang digunakan untuk menjalankan
motor listrik. Melihat sebuah sumber yang dihubungkan pada dua buah beban masih
relatif mudah. Sekarang coba bayangkan jika beban yang terhubung jumlahnya cukup
banyak?. Maka pastilah akan sangat rumit penyajiannya. Oleh karena itu untuk
mempermudah diperlukan cara penggambaran sistem seperti pada Gambar-2.4.
S1
S2
Lampu
Motor
Batere
Gambar-2.3 Sistem sederhana dengan sebuah sumber yang terhubung pada dua buah beban
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
7
M
S1S2
Batere
LampuMotor
Gambar-2.4 Diagram lengkap dari sistem
2.3.2 Satuan dalam Sistem Kelistrikan
Dalam disiplin teknik elektro juga dikenal besaran dasar dan turunan, di antaranya adalah
arus, tegangan, muatan dan lain-lain.
Arus listrik : besaran ini memiliki simbol I dan satuan Ampere (A), di mana 1 Ampere
didefinisikan sebagai arus yang mengalir pada dua konduktor sejajar dengan panjang tak
berhingga yang berjarak 1 meter sehingga dihasilkan gaya sebesar 2x10-7 Newton tiap 1
meter panjang konduktor.
Muatan listrik : memiliki simbol Q dan satuan Coulomb (C), 1 Coulomb didefinisikan
sebagai banyaknya muatan yang mengalir dalam konduktor yang dialiri arus sebesar 1
Ampere selama 1 detik. Dengan demikian maka persamaan yang dapat diturunkan
melalui hubungan di atas adalah
t.IQ (2-1)
di mana
Q = muatan listrik (C)
I = arus listrik (A)
t = waktu (dt)
Beda potensial : sering dinamakan dengan tegangan yang memiliki simbol V dan satuan
Volt (V). Yang dimaksud dengan 1 Volt adalah beda potensial antara dua titik pada
konduktor yang dialiri arus sebesar 1 Ampere dengan disipasi daya sebesar 1 Watt.
Untuk mengukur arus listrik dapat digunakan Amperemeter sedangkan tegangan dapat
diukur dengan Voltmeter. Dalam aplikasi kedua alat dapat terintegrasi menjadi satu dan
sering dinamakan Multimeter.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
8
Gambar-2.5 Multimeter digital [3], [4]
Frekuensi : dalam disiplin teknik elektro besaran frekuensi merupakan besaran yang
sangat penting dan didefinisikan sebagai jumlah gelombang yang terjadi dalam satu detik.
Dalam implementasi, nilai frekuensi dari suatu gelombang dapat ditentukan dengan
menggunakan nilai perioda (T), yaitu lamanya suatu gelombang terbentuk.
T
1f (2-2)
Di mana
f = frekuensi (Hertz = Hz)
T = perioda (dt)
2.3.3 Sumber Tegangan AC
Sumber energi listrik dalam implementasi teknik elektro biasanya tersedia dalam bentuk
catu daya (power supply) yang umumnya merupakan suatu sumber tegangan. Dalam
kondisi ideal suatu catu daya diharapkan menyediakan tegangan dengan nilai yang
konstan atau varaibel dalam toleransi yang ditentukan. Sumber tegangan dapat
menghasilkan tegangan AC maupun DC. Dalam sistem kelistrikan dengan ukuran besar
(rating daya), sumber tegangan yang dipakai akan menghasilkan tegangan AC berupa
gelombang sinusoidal. Sebagai contoh tegangan PLN yang diperuntukkan bagi konsumen
umumnya merupakan gelombang sinusoidal dengan nilai tegangan efektif sebesar 220
Volt pada frekuensi 50 Hz. Kondisi ini mengandung arti jika digunakan alat ukur Voltmeter
untuk mengukur tegangan antara kedua kawat (fasa dan netral dalam sistem satu fasa)
maka Voltmeter akan menunjukkan hasil pengukuran sebesar 220 Volt. Selanjutnya jika
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
9
digunakan alat ukur osciloscoupe maka akan terlihat suatu gelombang sinusoidal dengan
nilai puncak sebesar 2220 Volt dan perioda gelombang sebesar 20 mili-detik.
Tegangan AC banyak digunakan untuk menjalankan motor pompa, kipas angin, pemanas
dan lain-lain.
Untuk menghasilkan tegangan AC dalam aplikasi digunakan suatu generator jenis
sinkron. Bagian rotor dari generator ini dapat berupa kutub salient (sepatu) atau kutub
silindris. Pada Gambar-2.7 hingga Gambar-2.9 ditunjukkan rotor dari generator sinkron
yang diputar searah dengan jarum jam. Karena rotor menghasilkan fluksi magnet (dapat
berasal dari magnet permanen atau electromagnet) maka fluksi magnet akan keluar dari
kutub utara magnet rotor lalu memasuki stator dan kembali ke kutub selatan magnet pada
rotor. Dengan demikian maka kumparan pada stator akan ditembus oleh fluksi magnet.
Gambar-2.6 Gelombang AC berbentuk sinusoidal dengan nilai efektif 220 Volt pada frekuensi 50 Hz
Karena terjadi perubahan fluksi magnet pada kumparan stator maka akan dihasilkan gaya
gerak listrik (ggl) induksi pada stator yang besarnya
2
NE rss
(2-3)
Jika generator digunakan untuk menyalakan/menghidupkan beban listrik maka pada
kumparan stator akan mengalir arus, adanya arus ini akan menghasilkan fluksi yang
akhirnya juga menghasilkan tegangan sebesar
2
NE asa
(2-4)
Selisih antara tegangan pada stator akibat fluksi magnet rotor dan fluksi magnet akibat
beban listrik merupakan tegangan yang keluar pada terminal generator.
armst EEV (2-5)
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
10
Gambar-2.7 Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu yang diputar searah dengan jarum jam [5]
Gambar-2.8 Fluksi magnet dari rotor menembus kumparan pada stator
Gambar-2.9 Gelombang tegangan pada terminal generator tiga fasa
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
11
Gambar-2.10 Generator sinkron dengan rotor kutub sepatu (2 pasang kutub)
Gambar-2.11 Generator sinkron dengan rotor kutub silindris
2.3.4 Sumber Tegangan DC
Suatu sumber tegangan DC dapat direalisasikan dengan menggunakan batere, suatu
penyearah (yang paling sederhana adalah penyearah dioda) ataupun generator DC.
Peralatan yang menggunakan sumber DC umumnya merupakan peralatan yang berbasis
elektronika. Tegangan DC yang dihasilkan oleh suatu batere merupakan tegangan DC
ideal, yaitu berupa tegangan dengan nilai yang konstan. Sedangkan tegangan DC yang
dihasilkan dari penyearah DC (yang dilengkapi tapis kapasitor C) merupakan tegangan
DC yang tidak konstan tetapi memiliki riak.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
12
Suatu batere dapat menghasilkan energi listrik dari pengubahan energi kimia. Elemen
penting dalam suatu batere adalah elektrolit dan elektroda (anoda dan katodaa). Jenis
batere bermacam-macam di antaranya adalah Alkaline, NiMh (Nikel Metal Hydride), NiCd
(Nikel Cadmium), dan lain-lain begitu juga dengan tipe dan ukuran. Pada Gambar-2.12
disajikan kurva pemakaian batere jenis Li-ion, dari gambar tersebut tampak bahwa
tegangan abtere akan mengalami penurunan seiring dengan berkurangnya energi yang
tersimpan.
Gambar-2.12 (a) prinsip batere (b) macam ukuran batere
Gambar-2.13 Tegangan batere jenis Li-ion saat pemakaian
Cara menghasilkan tegangan DC yang banyak digunakan adalah pemakaian penyearah
dioda. Prinsip dari metoda ini adalah menggunakan tegangan AC yang disearahkan.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
13
Metoda ini banyak diterapkan pada peralatan-peralatan elektronik baik yang klasik hingga
yang modern. Penyearah dioda yang paling sederhana adalah jenis penyearah setengah
gelombang (half wave rectifier) yang menggunakan sebuah trafo dan sebuah dioda.
Penyearah jenis ini mampu menghasilkan tegangan DC keluaran sebesar
peakdc
VV (2-6)
Gambar-2.14 Peneyarah dioda setengah jembatan
Gambar-2.15 Gelombang tegangan peneyarah dioda setengah jembatan (a) tegangan masukan (b) tegangan keluaran tanpa tapis C
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
14
(a)
(b)
Gambar-2.16 Penyearah dioda gelombang penuh (a) dengan trafo CT (b) model jembatan
Untuk menghasilkan tegangan DC juga dapat dipakai generator DC. Suatu generator DC
memiliki bagian stator (bagian yang tidak berputar) dengan fungsi menghasilkan fluksi
magnet (dapat berupa magnet permanen atau elektromagnet) sedangkan bagian rotor
(bagian yang berputar) berisi kumparan. Jika rotor diputar searah dengan jarum jam maka
kumparan pada rotor akan ditembus oleh fluksi magnet yang berasal dari magnet stator.
Adanya perubahan fluksi terhadap waktu maka pada rotor akan diinduksikan tegangan
sebesar
fmf1rr IKIKNNE (2-7)
Gambar-2.17 Penampang generator DC [6]
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
15
Gambar-2.18 Bagian generator DC (a) stator (b) rotor
Gambar-2.19 Rotor dari geneartor DC yang diputar searah jarum jam
2.4 Latihan
Latihan-1
Suatu sistem kelistrikan terdiri dari sebuah sumber yang mencatu tiga buah beban listrik.
Beban listrik pertama merupakan suatu lampu, beban listrik kedua berupa motor listrik
dan beban ketiga adalah suatu pemanas. Masing-masing beban dihubungkan ke sumber
melalui sebuah saklar. Tentukan justifikasi terkait elemen kelistrikan.
Jawab
Untuk lebih memahami uraian pada latihan di atas maka pada Gambar-2.20 disajikan
skema dari sistem kelistrikan yang ditanyakan. Elemen yang berfungsi sebagai sumber
akan mengeluarkan gaya gerak listrik yang mendorong arus listrik mengalir, selanjutnya
kabel atau konduktor akan berfungsi sebagai elemen transmisi yang menjadi media
penghantar bagi arus listrik. Elemen kontrol yang mengatur aliran daya diimplementasikan
dengan saklar, di mana saat saklar membuka maka arus tidak dapat mengalir sedangkan
saat saklar menutup maka akan terjadi aliran arus. Mengalirnya arus akan menghasilkan
daya pada beban.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
16
M
sumber
kontrol
transmisi
beban
Gambar-2.20 Skema untuk latihan-1
Latihan-2
Dalam teknik elektro dikenal alat ukur dasar yang sangat sering digunakan, yaitu
Voltmeter dan Amperemeter. Jelaskan bagaimana cara pemakaian kedua alat ukur
tersebut dan apa perbedaannya.
Jawab
Alat pengukur tegangan (Voltmeter) dalam aplikasinya harus dipasang secara paralel
dengan elemen yang akan diukur tegangannya. Perlu diperhatikan suatu Voltmeter
memiliki tahanan dalam yang sangat besar sehingga pemasangan secara seri akan
sangat mempengaruhi arus yang mengalir dalam sistem. Sedangkan suatu alat ukur arus
(Amperemeter) memiliki tahanan dalam yang sangat kecil sehingga harus dipasang seri
dalam rangkaian.
V
elemen
rangkaian
elemen
rangkaian
A
(a) (b)
Gambar-2.21 Pemasangan alat ukur (a) Voltmeter (b) Amperemeter
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
17
Latihan-3
Suatu sumber tegangan harus mampu menyediakan tegangan dengan magnitude yang
relatif konstan. Jelaskan bagaimana pengaruh pembebanan terhadap karakteristik suatu
sumber tegangan.
Jawab
Dalam teori dikenal sumber tegangan yang ideal yaitu suatu sumber tegangan yang
mampu menyediakan tegangan konstan berapapun arus yang mengalir. Sumber
tegangan ideal secara logika dapat dianggap sebagai suatu sumber tegangan dengan
tahanan dalam sama dengan nil. Sedangkan sumber tegangan tak ideal memiliki tahanan
dalam yang tidak sama dengan nol sehingga makinbesar arus yang mengalir akan
menyebabkan jatuh tegangan makin besar. Kondisi ini berdampak pada menurunnya
tegangan keluaran suatu sumber tegangan seiring dengan bertambah besarnya arus
yang mengalir
R.iV
E R.iVVout
Gambar-2.22 Sumber tegangan tak ideal
2.5 Tugas
1. Jelaskan bagaimana tegangan AC diubah menjadi tegangan DC ?
2. Bagaimana cara menghasilkan atau membangkitkan tegangan AC ?
3. Gambarkan rangkaian-rangkaian dasar yang dapat digunakan untuk mengubah
tegangan AC menjadi tegangan DC ?
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
18
2.6 Rangkuman
Sistem kelistrikan mencakup elemen-elemen yang menyusun sistem tersebut, di
antaranya adalah sumber, beban, saluran transmisi dan kendali untuk mengatur aliran
daya. Untuk lebih memahami secara mendalam maka diperlukan pengetahuan tentang
satuan-satuan yang umum digunakan dalam sistem tenaga listrik, meliputi satuan untuk
besaran arus, tegangan, daya dan frekuensi. Salah satu elemen yang sangat dalam
sistem tenaga listrik adalah sumber. Untuk memberi pemahaman maka tegangan AC dan
tegangan DC juga dijabarkan.
2.7 Daftar Pustaka
1. www.motorpsychosport.com
2. www.pasargenset.blogspot.com
3. www.geraiprodukcom.indonetwork.co.id
4. www.etoolcart.com
5. www.skm-systems.blogspot.com
6. www.one-school.net
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
19
Bab 3
Kemagnetan
3.1 Pendahuluan
Magnet berasal dari bahasa Yunani Magnesian, suatu magnet merupakan material atau
obyek yang mampu menghasilkan medan magnet. Momen dipole suatu magnet
merupakan suatu vektor yang menentukan sifat magnet secara keseluruhan. Pada suatu
magnet batang, arah dari titik-titik momen dipole adalah dari kutub magnet N menuju
kutub magnet S dengan magnitude (besar) bergantung seberapa kuat dan seberapa jauh
jarak kedua kutub magnet. Dalam SI momen dipole memiliki satuan Ampere meter
kuadrat (Am2). Suatu konduktor dengan luas penampang sebesar A m2 yang dialiri arus
listrik sebesar I Ampere adalah merupakan suatu magnet dengan momen dipole sebesar
A.I.
Magnetisasi dari suatu obyek merupakan nilai momen dipole per satuan volume
(disimbolkan dengan M yang memiliki satuan A/m). Suatu magnet batang dengan momen
dipole 0,1 Am2 dan volume 1 cm3 akan memiliki magnetisasi sebesar 100.000 A/m
(bandingkan dengan suatu besi yang dapat memiliki magnetisasi sekitar jutaan A/m). Sifat
kemagnetan suatu bahan selalu berbeda dan dapat digolongkan sebagai berikut :
Paramagnetik : merupakan suatu material yang tidak mampu menghasilkan
magnet sendiri tetapi jika didekatkan pada medan magnet akan terjadi gejala
magnetisasi pada bahan dan akan tertarik oleh magnet.
Diamagnetik : material ini jika didekatkan pada medan magnet akan dihasilkan
sedikit magnetisasi dengan arah berlawanan sehingga akan muncul gaya tolak.
Suatu super-konduktor merupakan bahan diamagnetik yang kuat.
Ferromagnetik/Ferrimagnetik : merupakan material yang mudah termagnetisasi
dan cenderung tetap mempertahankan sifat kemagnetannya.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
20
3.2 Tujuan Pembelajaran
Kemagnetan merupakan bahasan yang harus diajarkan kepada mahasiswa teknik elektro
karena secara historis, disiplin teknik elektro merupakan implementasi dari sebagian
besar medan magnet. Tujuan pembelajaran dari bab ini adalah :
Memberikan pemahaman dasar tentang gejala kemagnetan
Memberi pengenalan terkait istilah dan parameter dalam bidang kemagnetan
Menjelaskan penerapan konsep magnet dalam beberapa aplikasi
Memberikan pemahaman hukum-hukum yang berlaku dalam medan magnet
3.3 Kegiatan Belajar
3.3.1 Besaran Magnet
Besaran yang sering digunakan dalam kajian tentang fenomena kemagnetan adalah
H : intensitas medan magnet atau kuat medan magnet (Oersted atau A-turn/m)
B : medan magnet atau induksi medan magnet atau kerapatan medan magnet
(Tesla atau Weber/m2)
M : magnetisasi (A/m)
Dalam fenomena kemagnetan, juga dikenal definisi magnetic susceptibility ( ) yang
diartikan sebagai derajad magnetisasi suatu material dalam menanggapi medan magnet
yang dikenakan. Hubungan magnetic susceptibility dengan magnetisasi M dinyatakan
dengan persamaan
H.M (3-1)
H.H1MHB oo (3-2)
dengan demikian maka
1o (3-3)
di mana
o = konstanta magnet = permeabilitas ruang hampa
= magnetic susceptibility
= permeabilitas magnet
21Jika nilai positif maka materialnya dapat merupakan paramagnetik, ferromagnetik
atau ferrimagnetik, sedangkan untuk nilai negatif maka materialnya merupakan
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
21
diamagneti dengan demikian medan magnet akan diperlemah dengan keberadaan
material.
Tabel-3.1. Magnetic susceptibility and permeability data for selected materials
No Medium
Susceptibility
(m)
Permeability ()
x10-6 N/A2
Magnetic
field
1 Mu-Metal 20.000 25.000 at 0,002 T
2 Permalloy 8.000 10.000 at 0,002 T
3 Electrical Steel 4.000 5.000 at 0,002 T
4 Ferrite (Ni-Zn) 20-800
5 Ferrite Mg-Zn) > 800
6 Steel 700 875 at 0,002 T
7 Nickel 100 125 at 0,002 T
8 Platinum 2,65 104 1,2569701
9 Aluminium 2,22 105 1,2566650
10 Hydrogen 8 109 1,2566371
11 Vacuum 0 1,2566371 (0)
12 Sapphire 2.1 107 1,2566368
13 Copper 6.4 106 1,2566290
14 Water 8.0 106 1,2566270
3.3.2 Sifat Magnet
Suatu magnet memiliki dua kutub yang dinamakan kutub utara (N = North) dan kutub
selatan (S = South). Magnet juga selalu memancarkan fluksi (garis gaya magnet) yang
keluar dari kutub N emnuju ke kutub S. Karena kutub-kutub magnet memiliki sifat : kutub-
kutub yang sama akan tolak-menolak dan kutub-kutub yang berbeda akan tarik-menarik.
Dengan mengacu pada sifat tersebut maka untuk menganalisa arah fluksi dapat
digunakan sebuah kompas. Langkah yang harus dilakukan mula-mula adalah meletakkan
magnet batang di atas kertas kemudian dekatkan kompas pada salah satu kutub magnet.
Selanjutnya gerakkan kompas menuju kutub magnet lainnya maka akan tampak bahwa
pada setiap posisi terjadi penyimpangan arah jarum kompas. Lalu bagaimana
menentukan bagian mana dari magnet yang merupakan kutub N dan yang merupakan
kutub S. Untuk memahami jawaban ini maka perlu diketahui sifat dan karaketristik suatu
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
22
kompas (kompas jarum). Jarum yang bertanda utara dari suatu kompas akan selalu
menunjuk arah utara (sebenarnya mendekati arah utara geografis) sedangkan jarum
selatan dari suatu kompas akan selalu menunjuk arah selatan (sebenarnya mendekati
arah selatan geografis). Hal ini terjadi karena pada kutub utara geografis bumi (Artic)
terdapat kutub magnet S sedangkan pada kutub selatan geografis bum (Antartica)
terdapat kutub magnet N. Dengan demikian maka dapat disimpulkan bahwa sebenarnya
jarum utara kompas merupakan magnet dengan kutub N.
Gambar-3.1 Fluksi bergerak dari kutub magnet N menuju ke kutub S [1]
Gambar-3.2 Posisi kutub magnet bumi pada posisi geografis [2]
Magnet dan fenomena kemagnetan selalu dimanfaatkan dalam disiplin teknik elektro.
Mesin-mesin listrik merupakan alat yang mengadopsi konsep magnet. Oersted
mengemukakan konsep bahwa muatan elektron yang bergerak akan menghasilkan gejala
magnet. Suatu konduktor lurus yang dialiri arus listrik akan menghasilkan fluksi magnet
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
23
yang arahnya melingkari konduktor tersebut (Gambar-3.3). Dengan menganalogikan jika
ibu jari tangan kanan dianggap sebagai arah arus listrik maka jari tangan yang mengepal
dapat dianggap sebagai arah fluksi magnetnya. Jika arus yang mengalir pada konduktor
berupa arus DC maka arah fluksi akan tetap sedangkan jika arus yang mengalir adalah
arus AC maka arah fluksi akan berubah secara periodik.
Gambar-3.3 Arah fluksi magnet pada konduktor lurus yang dialiri arus listrik [3]
Pada titik yang berjarak R dari suatu konduktor yang dialiri arus sebesar I akan memiliki
kerapatan medan magnet B sebesar
R4
IB o
(3-4)
Untuk konduktor yang dibentuk lingkaran maka arah fluksi magnet dapat ditentukan
dengan acuan seolah ibu jari tangan kanan digerakkan melingkar seperti arah arus dan
arah fluksi ditunjukkan oleh arah jari-jari lain tangan kanan. Konsep lain yang dapat
dipakai sebagai acuan adalah konsep sekrup, jika sekrup dikendorkan dengan diputar
berlawanan arah jarum jam maka arus listrik dianalogikan juga berlawanan arah jarum
jam. Kondisi ini membuat sekrup akan keluar dari papan, arah fluksi dianalogikan juga
keluar dari papan. Dengan mengacu pada paparan tersebut maka arah fluksi pada suatu
lilitan akan dapat diketahui. Pada Gambar-3.4 dan Gambar-3.5 disajikan konduktor
melingkar dan lilitan yang dialiri arus listrik, akibatnya maka akan terbentuk fluksi yang
terlingkupi.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
24
Gambar-3.4 Arah fluksi magnet pada konduktor melingkar yang dialiri arus listrik
Gambar-3.5 Arah fluksi magnet pada lilitan yang dialiri arus listrik [4]
3.3.3 Gaya Akibat Interaksi Medan Magnet dan Arus Listrik
Suatu konduktor yang dialiri arus listrik akan mendapatkan gaya jika diletakan di suatu
area yang terpengaruh medan magnet. Arah gaya ditentukan dengan menggunakan
kaedah tangan kanan, yaitu arah ibu jari menunjukkan arah arus listrik, arah jari lain
tangan kanan menunjukkan arah medan magnet (fluksi) sedangkan telapak tangan kanan
menunjukkan arah gaya.
Implementasi dari fenomena tersebut dapat dibuktikan dengan memperhatikan Gambar-
3.7 dan Gambar-3.8, di mana sebuah sumber tegangan DC berupa batere yang
dihubungkan dengan kawat (konduktor) sehingga akan mengalir arus searah dari
polaritas positif batere menuju ke polaritas negatifnya. Sebuah magnet permanen
berbentuk U digunakan untuk menghasilkan fluksi. Selanjutnya konduktor tersebut
diletakkan pada magnet sehingga konduktor dipotong oleh fluksi tersebut. Adanya
fenomena arus listrik dalam medan magnet maka akan dihasilkan suatu gaya. Aliran arus
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
25
pada Gambar-3.7. mengakibatkan timbulnya gaya dengan arah ke bawah sedangkan
arah arus pada Gambar-3.8 mengakibatkan dihasilkannya gaya dengan arah ke atas.
Gambar-3.6 Kaedah tangan kanan
Jika dalam medan magnet diletakkan sebuah konduktor yang dilekukan di mana dua
sisinya mengalir arus dengan arah berlawanan (Gambar-3.9) dan diletakkan dalam
medan magnet maka masing-masing sisi konduktor akan mendapat gaya dengan arah
berlawanan sehingga konduktor akan berputar. Fenomena ini sering dipakai sebagai
dasar pembuatan suatu motor listrik. pada Gambar-3.10 disajikan suatu motor DC
sederhana yang menerapkan konsep tersebut. Untuk mengalirkan arus listrik pada bagian
konduktor motor (bagian berputar) maka digunakan sikat karbon.
Gambar-3.7 Arah arus yang menghasilkan gaya ke bawah
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
26
Gambar-3.8 Arah arus yang menghasilkan gaya ke atas
Gambar-3.9 Dua konduktor dengan arah arus berlawanan menghasilkan dua gaya berlawanan
Gambar-3.10 Konsep motor DC
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
27
Fenomena yang terjadi pada rangkaian magnet dalam beberapa kasus dapat
dianalogikan dengan memahami rangkaian listrik. dalam rangkaian listrik hubungan
antara tegangan (V ), arus ( I ) dan resistansi ( R ) dapat dinyatakan dengan persamaan
R
VI (3-5)
Dalam rangkaian magnet, suatu tegangan magnet (MMF = Magnetomotive force) dapat
dibangkitkan dengan mengaliri lilitan ( N ) dengan arus listrik ( i ) dan dinyatakan dengan
persamaan berikut
NiMMF (3-6)
Maka fluksi ( ) dapat diturunkan melalui MMF dibagi dengan resistansi magnet atau
reluktansi ( ) dan dinyatakan dengan
NiMMF
(3-7)
i
celahudaraN
Gambar-3.11 Inti besi untuk mengalirkan fluksi yang dihasilkan oleh lilitan dialiri arus listrik
Reluktansi pada celah udara dapat ditentukan dengan menggunakan parameter lebar
celah udara ( g ), permeabilitas udara ( o ) dan luas permukaan inti besi ( A ) yang
disajikan dengan persamaan
A
g
o (3-8)
Sehingga akhirnya persamaan fluksi akan menjadi
g
ANiNi o
(3-9)
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
28
g
A
Gambar-3.12 Celah udara pada inti besi
3.3.4 Gaya Akibat Medan Magnet
Gaya selain dapat dihasilkan dari interaksi antara medan magnet dan arus listrik maka
juga dapat dihasilkan dari interaksi antar medan magnet. Pada Gambar-3.13b disajikan
dua buah magnet yang diletakkan berdekatan dengan posisi kutub tak sejenis saling
berhadapan, kondisi ini menghasilkan gaya tarik antara kedua magnet permanen
sehingga keduanya akan semakin dekat. Sedangkan Gambar-3.13c ditunjukkan dua buah
magnet yang diletakkan berdekatan dengan posisi kutub sejenis saling berhadapan,
kondisi ini menghasilkan gaya tolak antara kedua magnet permanen sehingga keduanya
akan semakin jauh.
N
S
N
S
N
S
F
F
N
S
N
S
F
F
(b) (c)(a)
Gambar-3.13. Gaya yang dihasilkan oleh dua magnet permanen (a) fluksi pada magnet permanen (b) gaya tarik-menarik (c) gaya tolak-menolak
Untuk menghasilkan fluksi magnet juga dapat dilakukan dengan menggunakan
elektromagnet, yaitu melalui suatu lilitan yang dialiri arus listrik. pada Gambar-3.14
disajikan suatu lilitan yang dilalui arus listrik searah, dengan merubah arah arus maka
arah fluksi magnet juga akan berubah dengan demikian maka kutub magnet pada kedua
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
29
ujung lilitan juga berubah. Jika di dekat elektromagnet tersebut diletakkan suatu magnet
permanen dengan kutub pada posisi tertentu maka akan mengakibatkan suatu gaya
tarik/tolak. Dengan membalik polaritas arus pada lilitan elektromagnet maka akan
dihasilkan gaya dengan arah yang berlawanan dengan kondisi semula (Gambar-3.15).
i
N
i
N
Gambar-3.14 Arah fluksi magnet ditentukan oleh arah arus listrik pada lilitan
i
N
i
N
N
S
F F
N
S
(a) (b)
Gambar-3.15 Gaya yang dihasilkan oleh elektromagnet dan magnet permanen (a) gaya tarik-menarik (b) gaya tolak-menolak
Fenomena gaya tarik antara dua medan magnet dapat dijadikan landasan dalam
merancang sebuah motor listrik sederhana. Pada Gambar-3.16 ditunjukkan sebuah
cakram yang dipasangi dengan potongan magnet permanan yang terpisah sebesar 60
derajad dan di dekat cakram tersebut diletakkan sebuah magnet permanen. Fenomena
yang akan terjadi adalah cakram akan bergerak akibat adanya gaya tarik/tolak antara
magnet permanan yang terpasang pada cakram dan magnet permanen di dekatnya.
Dengan mengubah kutub magnet permanen dekat cakram sesuai posisi cakram maka
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
30
akan dihasilkan putaran. Metoda yang lebih mudah untuk membalik kutub magnet adalah
melalui pemakaian elektromagnet (Gambar-3.17).
Gambar-3.16 Motor listrik sederhana dengan cakram dan magnet permanen
Gambar-3.17 Motor listrik sederhana dengan cakram dan elektromagnet
3.3.5 Tegangan Akibat Medan Magnet
Selain menghasilkan gaya, medan magnet juga mampu membangkitkan tegangan.
Menurut Faraday : jika suatu kumparan dikenai medan magnet yang berubah terhadap
waktu maka suatu tegangan akan dihasilkan. Tegangan tersebut merupakan suatu
fenomena yang dihasilkan oleh induksi medan magnet dan dinyatakan dengan
persamaan
dt
dNe
(3-10)
di mana
e = tegangan induksi
N = jumlah lilitan dalam suatu kumparan
dt
d = perubahan fluksi magnet terhadap waktu
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
31
Pada Gambar-3.18 disajikan suatu magnet permanen yang digerakkan mendekati dan
menjauhi suatu kumparan. Akibat dari gerakan magnet permanen ini maka medan
magnet di dalam kumparan akan berubah terhadap waktu, sehingga mengacu pada
hukum Faraday maka akan dihasilkan beda potensial antara kedua ujung kumparan. Jika
kumparan dihubung singkat melalui suatu galvanometer maka jarum galvanometer akan
bergerak sebagai tanda terjadinya aliran arus pada kumparan.
Gambar-3.18 Fenomena terjadinya tegangan induksi
Proses sebaliknya dapat dilakukan dengan menggerakkan kumparan sementara magnet
permanen dalam posisi diam. Prinsip demikian banyak digunakan sebagai dasar
perancangan suatu generator. Pada Gambar-3.19 disajikan skema suatu generator AC
sederhana, di mana suatu magnet permanen pada ststor dipakai untuk menghasilkan
medan magnet dan selanjutnya kumparan diputar agar medan megnet yang memotong
kumparan menjadi berubah terhadap waktu. Tegangan induksi yang dihasilkan pada
kedua ujung kumparan diambil melalui slip-ring dan dipakai untuk beban. Prinsip yang
berbeda ditunjukkan pada Gambar-3.20 di mana medan magnet dihasilkan oleh rotor dan
diputar sehingga fluksi yang menembus inti besi akan berubah terhadap waktu.
Gambar-3.19 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada stator
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
32
Gambar-3.20 Generator AC sederhana dengan medan magnet pada rotor
3.4 Latihan
Latihan-1
Jelaskan fenomena apa yang akan terjadi jika suatu belitan dialiri oleh arus DC dan jika
dialiri arus AC ?
Jawab
Suatu konduktor yang dilalui oleh arus listrik akan selalu menghasilkan medan magnet.
Jika yang mengalir arus DC maka akan dihasilkan medan magnet yang memiliki kutub-
kutub konstan. Tetapi dengan mengalirkan arus listrik jenis AC maka kutub-kutub magnet
yang dihasilkan akan berganti polaritas saat polaritas arus listrik berubah. Pada Gambar-
3.21 ditunjukkan suatu inti besi yang dililit oleh konduktor. Selanjutnya kedua ujung
konduktor dihubungkan dengan suatu sumber tegangan DC sehingga akan mengalir arus
listrik dengan arah tertentu. Dengan memperhatikan konsep atau hukum yang berlaku
maka akan dihasilkan medan magnet dengan arah ke atas. Besi yang digunakan sebagai
bahan inti akan memiliki kutub utara (N) di bagian atas dan kutub selatan (S) di bagian
bawah. Sedangkan pada Gambar-3.22 ditunjukkan modifikasi dari gambar sebelumnya di
mana tegangan sumber diganti dengan tegangan AC. Tegangan AC ini dapat diuraikan
menjadi dua, yaitu saat setengah siklus positif dan setengah siklus negatif. Kedua siklus
ini akan menghasilkan medan magnet yang berubah arah. Kondisi ini disebabkan kutub
magnet berganti. Saat setengah siklus positif tegangan sumber bagian atas sebagai kutub
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
33
utara (N) dan kutub selatan (S) di bagian bawah. Pada setengah siklus negatif akan
terjadi kutub magnet yang berkebalikan dari kondisi saat setengah siklus positif.
arus
medan
magnet
N
S
N = kutub utara magnet
S = kutub selatan magnet
Gambar-3.21 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik DC
arus
medan
magnet
N
S arus
medan
magnet
S
N
setengah siklus positif setengah siklus negatif
Gambar-3.22 Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik AC
Latihan-2
Jelaskan fenomena bagaimana suatu tegangan induksi dihasilkan oleh medan magnet
yang berasal dari magnet permanen ?
Jawab
Dengan menggunakan dasar bahwa tegangan induksi akan dihasilkan jika terdapat
medan magnet yang berubah terhadap waktu. Untuk menjelaskan pemahaman ini maka
pada Gambar-3.23 ditunjukkan skema percobaan. Suatu konduktor dibelitkan pada inti
besi, selanjutnya kedua ujung konduktor dihubungkan dengan Galvanometer untuk
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
34
mengetahui adanya arus yang mengalir. Di dekat inti besi tersebut diletakkan magnet
permanen. Saat magnet permanen diam, maka medan magnet yang mengenai inti besi
akan memiliki nilai yang konstan. Kondisi ini tidak akan menghasilkan tegangan induksi
pada kedua ujung konduktor. Tetapi jika magnet permanen digerakkan menjauhi dan
mendekati inti besi maka akan dihasilkan medan magnet yang nilainya berubah.
Terjadinya perubahan medan magnet menyebabkan dihasilkan tegangan induksi
sehingga akan mengakibatkan jarum Galvanometer menyimpang yang menandakan ada
arus mengalir.
S N
Gambar-3.23 Tegangan induksi tidak terjadi saat medan magnet konstan
S N
Gambar-3.24 Tegangan induksi dibangkitkan saat medan magnet berubah terhadap waktu
Latihan-3
Dengan mengacu pada Gambar-3.23 dan mengganti magnet permanen dengan
elektromagnet, jelaskan fenomena terjadinya tegangan induksi?
Jawab
Untuk menjelaskan uraian maka disajikan Gambar-3.25 dan Gambar-3.26. pada Gambar-
3.25 tampak duabuah inti besi dengan lilitan konduktor. Inti besi yang sebelah kiri memiliki
konduktor yang kedua ujungnya dihubungkan dengan Galvanometer dan inti besi yang di
sebelah kanan memiliki konduktor yang kedua ujungnya dihubungkan dengan sumber
tegangan DC. Karena tegangan yang digunakan adalah DC maka medan magnet yang
dihasilkan memiliki nilai konstan akibatnya inti besi sebelah kiri merasakan medan magnet
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
35
dengan nilai yang konstan dan dengan demikian tidak dibangkitkan tegangan induksi.
Sedangkan pada Gambar-3.26 ditunjukkan modifikasi dari Gambar-3.25 dengan
menggunakan sumber tegangan AC sehingga akan menghasilkan medan magnet yang
berubah terhadap waktu. Kondisi ini mengakibatkan inti besi di sebelah kiri merasakan
medan magnet yang berubah dan akan dihasilkan tegangan induksi. Selanjutnya jarum
Galvanometer akan menyimpang.
Gambar-3.25 Tegangan induksi tidak dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan DC
Gambar-3.26 Tegangan induksi akan dibangkitkan jika digunakan elektromagnet dengan sumber tegangan AC
3.5 Tugas
1. Jelaskan dan uraikan peralatan listrik apa saja yang memanfaatkan fenomena
induksi medan magnet ?
2. Jika akan dibuat elektromagnet dengan menggunakan bahan inti, jelaskan
pengaruh bahan inti yang digunakan ?
3. Jelaskan pengaruh besar arus listrik yang mengalir pada belitan terhadap nilai
medan magnet yang dihasilkan ?
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
36
3.6 Rangkuman
Kemagnetan merupakan fenomena yang banyak diterapkan dalam mengembangkan
disiplin teknik elektro. Beberapa besaran magnet yang sering digunakan telah dijabarkan.
Sifat-sifat bahan magnet juga menjadi faktor penting dalam memahami dan menerapkan
fenomena kemagnetan. Medan magnet mampu menghasilkan tegangan/arus dan gaya
yang menjadikan dasar dikembangkannya motor listrik ataupun generator listrik.
3.7 Daftar Pustaka
1. www.basistik.blogspot.com
2. www.magnet.fsu.edu
3. www.sciencecity.oupchina.com.hk
4. www.anjungsainssmkss.wordpress.com
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
37
Bab 4
Elemen Rangkaian
4.1 Pendahuluan
Dalam sistem kelistrikan, dijumpai adanya berbagai macam elemen rangkaian yang ada
di dalamnya. Sebagai contoh, suatu reaktor (induktor) yang berupa lilitan akan memiliki
karakteristik berbeda pada kondisi ideal ataupun nyata. Belitan suatu induktor terbuat dari
bahan email yang memiliki resistansi sehingga pada kondisi nyata suatu reaktor dapat
diwakili dengan suatu induktor dan resistor. Dengan demikian pemahaman tentang
elemen-elemen rangkaian seperti resistor, induktor dan kapasitor merupakan hal yang
sangat penting. Pada bab ini dijelaskan jenis-jenis elemen pasif yang terdapat pada
rangkain, yaitu resistor, induktor dan kapasitor serta sifat-sifatnya. Dari bab ini diharapkan
mahasiswa dapat menggunakan dalam aplikasi lebih lanjut.
4.2 Tujuan Pembelajaran
Untuk membekali mahasiswa teknik elektro terkait pemahaman elemen rangkaian maka
materi yang tersaji dalam bab ini ditujukan untuk
memberikan pemahaman tentang elemen rangkaian listrik (resistor, induktor,
kapasitor dan sumber)
mengetahui sifat-sifat dari elemen rangkaian
4.3 Kegiatan Belajar
4.3.1 Resistor
Resistor adalah elemen pasif dalam rangkaian yang menyebabkan hambatan arus
listriknya. Suatu resistor dikatakan linier, jika arus yang mengalir di dalam resistor tersebut
berbanding lurus dengan besarnya tegangan pada kedua terminalnya. Tetapi jika nilai
arusnya tidak berbanding lurus dengan tegangannya, maka resistor tersebut dikatakan
tidak linier.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
38
Jika suatu resistor dilalui oleh arus sebesar I , maka energi akan diserap oleh resistor
hingga menjadi rugi daya (panas) yang besarnya adalah RI 2 . Dalam aplikasinya,
kemampuan suatu resistor dibatasi oleh rating dayanya. Sebagai contoh : suatu resistor
dengan resistansi sebesar 100 Ohm dengan rating 1 W akan memiliki kemampuan
menghantarkan arus maksimal sebesar 100 mA. Sedangkan resistor dengan nilai
resistansi yang sama tetapi dengan rating daya 0,25 W akan memiliki kemampuan hantar
arus maksimal 50 mA.
Umumnya resistansi suatu resistor dapat diketahui berdasarkan cincin warna yang ada
pada resistor tersebut. Untuk mengetahui sistem pengkodean warna pada resistor dapat
dilihat pada Tabel-4.1 dan Gambar-4.1. Warna pada cincin pertama dan kedua
menunjukkan bilangan puluhan dan satuan, warna ketiga menunjukkan jumlah angka nol
dibelakang kedua angka tadi sedangkan warna pada cincin keempat menunjukkan
toleransi. Jika suatu resistor memiliki cincin oranye, biru, hijau dan silver, maka nilai
resistansi dari resistor tadi adalah 3.600.000 Ohm dengan toleransi sebesar 10% dari
3.600.000 atau lebih jelasnya nilai resistansinya berkisar pada 3.960.000 Ohm hingga
3.240.000 Ohm.
1 2 3 4
bil. puluhan
bil. satuan jumlah nol
toleransi
Gambar-4.1 Sistem pengkodean warna cincin resistor
Tabel-3.1 : Arti warna pada resistor Angka Warna
0 Hitam
1 Coklat
2 Merah
3 Oranye
4 Kuning
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
39
5 Hijau
6 Biru
7 Ungu
8 Abu-abu
9 Putih
Toleransi Warna
5% Emas
10% Perak
20% Tidak berwarna
fixed resistor variable resistor potensio
Gambar-4.2 Simbol macam-macam resistor
4.3.2 Kapasitor
Kapasitor merupakan peralatan (device) dengan dua terminal yang terdiri dari dua buah
material konduktif dan dipisahkan dengan suatu bahan dielektrik. Muatan yang berada
pada pelat-pelat kapasitor akan menimbulkan beda potensial, hubungan antara muatan,
kapasitansi dan tegangan dirumuskan sebagai berikut
CVQ (4-1)
Sedangkan hubungan antara arus, kapasitansi dan tegangan dapat diturunkan dari
persamaan di atas dengan mengasumsikan bahwa arus merupakan laju perubahan
muatan tiap satuan waktu, sehingga
dt
dVCi (4-2)
Dari persamaan (4-2), jika tegangan suatu kapasitor adalah konstan (DC), maka arus
yang mengalir akan sama dengan nol, hal ini dapat dasumsikan bahwa suatu kapasitor
pada analisa rangkaian dengan sumber DC dapat dianggap sebagai rangkaian terbuka.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
40
Sedangkan nilai sesaat dari tegangan suatu kapasitor, dapat diturunkan berdasarkan nilai
integrasi arus terhadap waktu, yaitu :
oVdtiC1
tv (4-3)
dielektrik
+
-
v q
Gambar-4.3 Kapasitor pelat sejajar
C
i
+
v
-
Gambar-4.4 Kapasitor dan rangkaian ekuivalen
t
v(t)
i(t)
t
Gambar-4.5 Kurva tegangan dan arus pengisian kapasitor
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
41
Kapasitor merupakan komponen yang dapat menyimpan energi dalam bentuk medan
listrik, persamaan yang menentukan besarnya energi suatu kapasitor dirumuskan sebagai
berikut
2C CV2
1W Joule (4-4)
atau
C
q
2
1W
2
C Joule (4-5)
Dalam aplikasi dalam rangkaian listrik, beberapa kapasitor dapat dihubungkan secara
seri, paralel maupun kombinasi keduanya.
C1 C2 Cni
Gambar-4.6 Rangkaian kapasitor yang dihubung paralel
Untuk kapasitor yang dipasang dengan hubungan paralel berlaku rumus sebagai berikut :
N
1n
nN321P CC...CCCC (4-6)
Untuk hubungan seri pada rangkaian yang terdiri dari beberapa kapasitor, berlaku rumus
sebagai berikut :
N
1n nN321SC
1
C
1...
C
1
C
1
C
1
C
1 (4-7)
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
42
+
-v
C1 C2 CN
Gambar-4.7 Rangkaian kapasitor yang dihubung seri
4.3.3 Induktor
Induktor merupakan elemen yang dapat menyimpan energi dalam bentuk medan magnet,
dalam aplikasinya suatu induktor berbentuk suatu alat dengan dua terminal dan
direalisasikan dengan suatu lilitan atau lebih. Karena terdiri dari lilitan yang dilalui arus,
maka akan terdapat fluksi magnet yang terlingkupi yang dirumuskan
N (4-8)
di mana
= fluksi magnet yang terlingkupi
N = jumlah lilitan
= fluksi magnet
persamaan (3-8) juga dapat dituliskan sebagai berikut
iL (4-9)
di mana
L = induktansi diri
i = arus yang mengalir pada induktor
+
-
v
i
Gambar-4.8 Induktor dan rangkaian ekuivalen
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
43
Persamaan tegangan pada induktor dirumuskan
dt
dv
(4-10)
atau
dt
diLv (4-11)
Jika dimisalkan suatu induktor mengalami penurunan arus dari 1 A menjadi 0 A dalam
waktu 1/b dt, maka
i = 1 t 0
i = 1 - bt 0 t 1/b
i = 0 t 1/b
Sedangkan untuk pemakaian induktor sebesar 1 H, maka akan didapatkan tegangan
v = 0 t 0
i = - b 0 t 1/b
i = 0 t 1/b
i
v
t
t
1
-b
1/ b
1/ b
Gambar-4.9 Kurva perubahan arus dan tegangan terhadap waktu
Persamaan arus sesaat pada suatu induktor dirumuskan
oIdtvL1
ti (4-12)
sedangkan energi pada induktor dituliskan dengan persamaan
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
44
43 2L iL2
1W Joule (4-13)
4.3.4 Sumber Bebas dan Sumber Tak Bebas
Dalam aplikasi sering dijumpai adanya sumber DC, baik sumber bebas maupun sumber
tak bebas, maka dalam bab ini akan dijelaskan mengenai definisi dari sumber bebas dan
sumber tak bebas (dependent source) dan aplikasi serta analisanya pada suatu
rangkaian. Suatu sumber bebas dapat didefinisikan sebagai suatu sumber arus ataupun
tegangan yang tidak terpengaruh beban. Dalam aplikasinya sering dijumpai suatu sumber
tegangan bebas, dalam hal ini sumber tegangan bebas yang ideal akan memiliki tahanan
dalam yang kecil sekali (mendekati nol), sehingga perubahan beban tidak akan
berpengaruh. Sedangkan sumber arus bebas yang ideal adalah sumber arus tetap yang
memiliki kemampuannya untuk mempertahankan kondisi arus tetapnya.
Suatu sumber tegangan terkendali atau tak bebas adalah suatu sumber tegangan di
mana terminal-terminalnya dikendalikan atau dikontrol oleh tegangan atau arus pada
rangkaian lainnya. Suatu voltage-controlled voltage source (VCVS) adalah suatu sumber
tegangan yang dikontrol oleh tegangan dan current-controlled voltage source (CCVS)
adalah suatu sumber tegangan yang dikontrol oleh arus.
+
-
sumber tegangan
bebas
sumber arus
bebas
Gambar-4.10 Sumber tegangan dan arus bebas
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
45
+
-v i
sumber tegangan
tak bebas
sumber arus
tak bebas
Gambar-4.11 Sumber tegangan dan sumber arus tak bebas
3.4 Latihan
Latihan-1
Suatu rangkaian seri terdiri dari sumber tegangan DC, resistor dan induktor, suatu saklar
digunakan untuk menghubungkan dan memutus arus. Lakukan analisis arus dan
tegangan pada rangkaian tersebut saat saklar ditutup dan dibuka.
Jawab
Pada Gambar-4.12 ditunjukkan rangkaian tersebut. Jika tegangan masukan yang
digunakan sebesar E dan resistor memiliki nilai R Ohm, maka arus maksimal yang
mungkin mengalir akan dibatasi oleh nilai resistansi (pada kondisi tunak). Sedangkan
pada saat peralihan respon-nya dipengaruhi oleh nilai induktor.
R
L
E
i
Gambar-4.12 Rangkaian RL dengan sumber tegangan DC
Pada saat saklar ditutup maka akan mengalir arus di resistor dan induktor. Karena sifat
induktor yang tidak bisa berubah arusnya secara mendadak maka arus yang mengalir
akan secara gradual meningkat hingga nilai tertentu. Gelombang arus disajikan pada
Gambar-4.13.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
46
Gambar-4.13 Arus yang mengalir dan tegangan pada rangkaian RL dengan sumber tegangan DC
Latihan-2
Elemen induktor merupakan elemen yang mampu menyimpan energi listrik dalam bentuk
medan magnet. Jika dalam suatu rangkaian diinginkan terdapat komponen sumber
tegangan DC, lampu dan induktor, buatlah rangkaian dan jelaskan operasinya yang
menunjukkan fungsi induktor sebagai elemen penyimpan energi.
Jawab
Pada Gambar-4.14 ditunjukkan rangkaian yang terdiri dari dua buah saklar S1 dan S2,
sumber tegangan DC, induktor dan lampu. Jika saklar S1 ditutup dan saklar S2 dibuka
maka arus listrik dari sumber tegangan DC akan mengalir melalui melalui saklar S1,
induktor dan lampu. Pada kondisi ini lampu akan menyala terang secara gradual dan
induktor akan menyerap energi. Selanjutnya jika saklar S1 dibuka dan saklar S2 ditutup
maka energi yang tersimpan dalam induktor akan dibuang melalui lampu dan saklar S2.
S1 S2
L
Lampu
tegangan
DC
X
Gambar-4.14 Rangkaian untuk menjelaskan induktor sebagai elemen penyimpan energi
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
47
L
Lampu
tegangan
DC
X
L
LampuX
Saat saklar S1 ON dan S2 OFF Saat saklar S1 OFF dan S2 ON
Gambar-4.15 Mode operasi saat induktor menyerap energi dan membuang energi
Latihan-3
Elemen kapasitor merupakan elemen yang mampu menyimpan energi listrik dalam
bentuk medan listrik. Jika dalam suatu rangkaian diinginkan terdapat komponen sumber
tegangan DC, lampu dan kapasitor, buatlah rangkaian dan jelaskan operasinya yang
menunjukkan fungsi kapasitor sebagai elemen penyimpan energi.
Jawab
Pada Gambar-4.16 ditunjukkan rangkaian yang terdiri dari saklar S1, sumber tegangan
DC, kapasitor dan lampu. Jika saklar S1 ditutup maka arus listrik dari sumber tegangan
DC akan mengalir melalui melalui saklar S1, kapasitor dan lampu. Pada kondisi ini lampu
akan menyala, di saat yang sama kapasitor akan menyerap energi. Selanjutnya jika
saklar S1 dibuka maka energi yang tersimpan dalam kapasitor akan dibuang melalui
lampu.
LampuXtegangan DC
C
S1
Gambar-4.16 Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
48
LampuXtegangan DC
C C LampuX
Saat saklar S1 ON Saat saklar S1 OFF
Gambar-4.17 Rangkaian untuk menjelaskan sebagai elemen penyimpan energi
3.5 Tugas
1. Jelaskan bagaimana suatu induktor dapat menyimpan energi dan berilah contoh
rangkaian.
2. Jelaskan bagaimana suatu kapasitor dapat menyimpan energi dan berilah contoh
rangkaian.
3. Jelaskan bagaimana pengaruh resistor dalam implementasi pada rangkaian.
3.6 Rangkuman
Resistor, induktor dan kapasitor dipakai sebagai elemen rangkaian di berbagai aplikasi.
Memahami sifat-sifat dari elemen tersebut akan sangat membantu dalam melakukan
analisis dan rancangan suatu sistem. Suatu resistor muncul dalam rangkaian aplikasi saat
di mana terdapat beban seperti lampu pijar, pemanas dan yang mengandung konduktor.
Resistor berukuran daya kecil biasanya ditandai dengan cincin-cincin warna untuk
memudahkan mengetahui nilai resistansinya. Suatu induktor merupakan elemen yang
mampu menyimpan energi listrik dalam bentuk medan magnet, banyak dijumpai di dalam
aplikasi dalam bentuk lilitan. Sedangkan kapasitor merupakan elemen penyimpan energi
listrik dalam bentuk medan listrik.
3.7 Daftar Pustaka
1. Hyat, William, (1972) : Engineering Circuit Analysis, Mc Graw Hill, Singapore
2. Johnson, David E, (1997) : Electric Circuit Analysis, Prentice Hall, London
3. Simpson, C. D. (1996) : Industrial Electronics, Prentice Hall International Inc
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
49
4. Schuller, C. A., McNamee, W. L. (1986) : Industrial Electronics and Robotics,
McGraw Hill
5. Rashid, M. H. (1993) : Power Electronics, Circuits, Devices, and Applications,
Prentice Hall International Inc
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
50
Bab 5
Motor Listrik
5.1 Pendahuluan
Motor listrik merupakan suatu piranti yang mengubah energi listrik menjadi energi
mekanik. Motor listrik memegang peranan yang sangat penting dalam beberapa aplikasi.
Menurut sumber yang memberi suplai, motor listrik dibedakan menjadi motor AC dan
motor DC. Klasifikasi lebih detil menghasilkan beberapa jenis motor yang lebih spesifik.
Pada bab ini diuraikan secara dasar motor-motor listrik yang ada dalam disiplin teknik
elektro. Konsep bagaimana motor berputar juga akan diuraikan serta sifat-sifatnya.
5.2 Tujuan Pembelajaran
Motor listrik yang dibahas dalam diktat ini menitikberatkan pada konsep berputarnya dan
jenis. Uraian dan bahasan lebih lanjut dipaparkan dalam kuliah Motor Listrik. Sehingga
dalam pembelajaran ini tujuan yang diharapkan adalah :
Memberikan dasar pengenalan jenis-jenis motor listrik
Memberikan pemahaman bagaimana motor listrik dapat berputar
5.3 Kegiatan Belajar
5.3.1 Motor DC Konvensional
Jika suatu konduktor yang dialiri arus listrik berada dalam medan magnet maka akan
muncul gaya. Dengan menggunakan kaedah tangan kiri, di mana ibu jari menunjukkan
arah gaya (F), jari telunjuk mewakili arah medan magnet dan jari tengah menunjukkan
arah arus listrik maka arah putar motor dapat ditentukan. Besarnya nilai gaya secara
sederhana dapat dinyatakan dengan persamaan
l.i.BF (5-1)
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
51
di mana
F = gaya
B = medan magnet
i = arus
l = panjang konduktor
Gambar-5.1 Skema dasar motor DC
Pada Gambar-5.1 disajikan suatu skema dasar dari motor DC guna menjelaskan
bagaimana putaran motor dihasilkan. Stator digunakan untuk menghasilkan medan
magnet baik melalui magnet permanen atau elektromagnet. Medan magnet yang
dihasilkan oleh stator akan bergerak dari kutub Utara (N) menuju kutub Selatan (S). Untuk
lebih jelas maka berikut disajikan bagian-bagian utama suatu motor DC, diantaranya
adalah :
Stator, merupakan bagian yang diam dan difungsikan untuk menghasilkan medan
magnet. Pada motor DC ukuran kecil maka stator merupakan magnet permanen,
sedangkan pada motor DC dengan ukuran lebih besar maka stator terbuat dari
laminasi inti besi yang dilengkapi dengan belitan untuk menghasilkan elektro-
magnet.
Rotor, merupakan bagian yang berputar terdiri dari inti besi yang dilengkapi belitan
untuk dilalui arus searah.
Komutator, bagian ini terletak pada ujung rotor dan terhubung ke ujung belitan
rotor. Bagian ini difungsikan mengalirkan arus yang akan masuk ke belitan rotor.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
52
Sikat, berfungsi mengalirkan arus dari sumber tegangan untuk diteruskan ke
komutator. Karena selalu terjadi gesekan antara sikat yang terbuat dari karbon
dan komutator maka sikat memerlukan penggantian secara berkala.
Berdasarkan hubungan antara belitan stator dan belitan rotor maka motor DC dapat
diklasifikasikan menjadi
Motor DC penguatan terpisah
Motor DC penguatan seri
Motor DC penguatan shunt
Motor DC penguatan Compound
Gambar-5.2 Bagian pada motor Arus Searah, terdiri dari rotor (bagian yang berputar) terdapat belitan rotor untuk mengalirkan arus dan stator (bagian yang diam)
(a) (b)
Gambar-5.3 Bagian motor DC (a) rotor (b) stator dengan belitan [1], [2]
Suatu motor DC penguatan terpisah memerlukan dua buah sumber tegangan DC yang
dipakai untuk belitan stator dan belitan rotor (Gambar-5.4). Karakteristik kecepatan
terhadap torka memiliki kelinieran yang baik. Pada Gambar-5.5 disajikan rangkaian
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
53
ekuivalen dari motor DC penguatan seri, di mana belitan rotor dan belitan stator dihubung
secara seri. Dari karakteristiknya tampak bahwa motor DC jenis ini memiliki torka awal
yang sangat besar sehingga sesuai untuk menggerakkan beban berat atau beban lain
yang diputar pada kecepatan rendah
Ea
field
+
-
Va
+
-
Vf
100
50
400 800
% R
ate
d S
peed
% Rated Torque
(a) (b)
Gambar-5.4 Motor DC penguatan terpisah (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik
Ea
+
-
Va
field
240
100
400 800
% R
ate
d S
peed
% Rated Torque
(a) (b)
Gambar-5.5 Motor DC penguatan seri (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik
Pada motor DC dengan penguatan shunt maka belitan rotor dan belitan stator memiliki
hubungan parale (Gambar-5.6)l. Motor DC jenis ini memiliki torka yang relatif konstan
pada range kecepatan yang cukup luas. Motor DC juga tersedia dengan dua belitan
medan yang dihubung secara seri dan paralel, motor jenis ini adalah motor DC penguatan
compound. Karakteristik motor jenis ini merupakan kombinasi antara motor DC jenis seri
dan motor DC jenis shunt (Gambar-5.7).
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
54
Ea
+
-
Va
field
100
50
200 300
% R
ate
d S
peed
% Rated Torque
100
(a) (b)
Gambar-5.6 Motor DC penguatan shunt (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik
Ea
+
-
Va
field
(a)
field
100
50
300 450
% R
ate
d S
peed
% Rated Torque
150
(b)
Gambar-5.7 Motor DC penguatan Compound (a) rangkaian ekuivalen (b) kurva karakteristik
Motor DC memiliki kelemahan dalam hal kerumitan dan harga tetapi beberapa
keunggulan juga ditawarkan di antaranya torka awal yang besar dan mudah dalam
pengaturan kecepatan sehingga banyak diterapkan dan dimanfaatkan di berbagai sektor,
yaitu
Penggerak listrik di industri
Kereta api listrik (KRL)
Pengisi batere dan starter pada mobil
dan lain-lain
5.3.2 Motor AC
Motor AC memerlukan sumber tegangan masukan berupa tegangan AC baik satu fasa
maupun tiga fasa. Pada motor AC tiga fasa dikenal dua jenis, yaitu
Mesin Sinkron, lebih sering dioperasikan sebagai generator
Mesin Asinkron, lebih sering dioperasikan sebagai motor dan disebut motor
induksi, terdiri dua macam
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
55
o Motor Induksi Rotor Sangkar Tupai (Squirrel Cage Rotor)
o Motor Induksi Rotor Belitan (Wound Rotor)
Sedangkan motor AC dengan sumber satu fasa umumnya memiliki ukuran yang kecil
(biasanya di bawah 1 HP) sehingga dinamakan Fractional Horse Power Motor.
Untuk memutar motor induksi tiga fasa, tegangan AC tiga fasa diberikan pada belitan
stator. Arus yang dihasilkan akan menghasilkan medan magnet putar (rotary magnetic
field). Adanya medan magnet ini maka rotor akan terinduksi tegangan, karena rotor
berupa rangkaian tertutup maka akan mengalir arus. Adanya konduktor yang teraliri arus
dalam medan magnet maka akan dihasilkan torka sehingga rotor akan berputar.
Tegangan induksi pada rotor hanya akan dibangkitkan jika terdapat perbedaan
kecepatan putar rotor terhadap kecepatan medan magnet putar. Motor induksi merupakan
motor yang banyak dipakai dalam berbagai aplikasi. Jika tegangan tiga fasa ideal
digunakan sebagai catu untuk belitan stator motor induksi maka akan dihasilkan fluksi
stator yang berputar dengan kecepatan sinkron
P
f.120n ss (rpm) (5-2)
Pada karakteristik motor induksi, torka yang dihasilkan pada kecepatan sinkron ini sama
dengan nol sehingga rotor motor induksi akan berputar dibawah kecepatan sinkron
(ditentukan oleh torka beban). Perbedaan kecepatan antara rotor motor induksi dengan
kecepatan sinkron dinyatakan dengan slip (s)
s
sl
s
rs
n
n
n
nns
(5-3)
di mana :
sn = kecepatan sinkron (rpm)
rn = kecepatan rotor (rpm)
sf = frekuensi sinkron stator (Hz)
P = jumlah pasang kutub stator
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
56
Gambar-5.8 Karakteristik torka-kecepatan motor induksi
Motor AC memiliki keunggulan karena konstruksi yang sederhana, kokoh dan harganya
relatif murah tetapi memerlukan kompleksitas dalam pengaturan kecepatan. Motor Induksi
tiga fasa banyak digunakan sebagai :
Penggerak listrik di industri
Motor kipas
Motor penggerak pada KRL
dan lain-lain
Pada Gambar-5.9 disahikan gambar bagian stator dari motor induksi tiga fasa. Belitan
yang terdapat pada stator berfungsi untuk menghasilkan medan magnet putar melalui
sumber tegangan tiga fasa. Untuk rotor dari motor induksi dari jenis sangkar tupai tampak
rotor berupa laminasi besi dan sangkar yang dihubung singkat pada kedua ujungnya
(Gambar-5.10) sedangkan rotor jenis belitan (wound rotor) ditunjukkan pada Gambar-5.11
di mana diperlukan slip-ring untuk mengatur impedansi belitian.
Dalam aplikasi di lapangan, motor induksi jenis rotor sangkar tupai lebih banyak
digunakan karena sangat sederhana, kokoh dan harganya relatif murah dibandingkan
dengan motor induksi jenis rotor belitan.
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
57
Gambar-5.9 Bagian stator dari motor induksi
Gambar-5.10 Bagian rotor dari motor induksi (jenis squirrel cage)
Gambar-5.11 Rotor motor induksi jenis belitan [3], [4]
Karena kesederhanaannya maka motor induksi juga banyak dipakai untuk aplikasi rumah
tangga atau aplikasi kecil lain. Motor induksi yang dipakai di sini adalah motor induksi satu
fasa, di antaranya adalah :
motor kapasitor
motor split-phase
motor shaded-pole
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
58
dan lain-lain
dalam aplikasi pada sistem satu fasa, untuk menghasilkan medan magnet putar
memerlukan teknik tersendiri.
Pada motor induksi satu fasa jenis kapasitor terdapat dua buah belitan stator, belitan
stator yang pertama dihubungkan langsung dengan sumber tegangan satu fasa
sedangkan belitan yang kedua dihubungkan melalui kapasitor untuk mendapatkan arus
yang tergeser. Medan magnet putar pada motor ini merupakan resultan dari dua medan
magnet yang tergeser dengan sudut fasa tertentu. Pada Gambar-5.12 ditunjukkan motor
induksi satu fasa jenis kapasitor yang banyak digunakan dalam berbagai aplikasi rumah
tangga seperti kipas angin, pompa air dan lain-lain. Untuk menghasilkan dua buah medan
magnet yang tergeser dapat juga dibangkitkan melalui dua buah belitan yang memiliki
beda impedansi. Kedua belitan tersebut diletakkan pada stator yang dihubungkan dengan
sumber satu fasa. Motor induksi yang mengadopsi konsep ini adalah motor split-phase
seperti tampak pada Gambar-5.13. Untuk motor induksi satu fasa lainnya, gaya putar
(torke) dapat dihasilkan dari medan magnet stator dengan kutub yang teralingi (shaded-
pole). Dengan melilitkan konduktor tertutup pada bahan inti maka arah medan magnet
dapat digeser. Motor yang menggunakan konsep seperti ini dinamakan motor shaded-
pole yang banyak diterapkan untuk motor ukuran-ukuran kecil. Motor AC satu fasa jenis
lain yang sering dipakai adalah motor universal, yaitu motor yang dapat dioperasikan
pada sumber tegangan DC ataupun AC. Motor jenis ini pada prinsipnya merupakan motor
DC seri dan banyak digunakan untuk aplikasi sebagai motor pada mesin jahit.
Gambar-5.12 Motor induksi satu fasa jenis kapasitor [5], [6]
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
59
Gambar-5.13 Motor induksi satu fasa jenis split-phase [7], [8]
Gambar-5.14 Motor induksi jenis shaded-pole [9], [10]
Gambar-5.15 Motor universal [11], [12]
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
60
5.3.3 Motor DC Modern
Motor BLDC (Brusless DC Motor)
Motor DC konvensional yang menggunakan sikat-komutator dalam banyak aplikasi
memiliki banyak kelemahan. Beberapa keterbatasan dijumpai akibat adanya gesekan
antara sikat dan komutator dalam mengalirkan arus ke bagian rotor motor DC
konvensional. Sebagai alternatif penyempurnaan maka dikembangkan suatu motor DC
yang tidak menggunakan sikat, sebagai pengganti dipakai komutasi yang
diimplementasikan melalui rangkaian elektronik. Karena tidak adanya sikat dan komutator
mekanik maka jenis motor ini memiliki efisiensi lebih tinggi dan mampu menghasilkan
putaran tinggi. Pada bab ini dijabarkan tentang motor tersebut, yaitu motor DC tanpa sikat
atau sering dinamakan Brushless DC (BLDC) motor.
Berbeda dengan motor DC konvensional, suatu motor BLDC memiliki bagian rotor berupa
magnet permanen dan bagian stator berupa belitan untuk menghasilkan magnet.
Pengubahan polaritas arus dilakukan secara elektronik. Karena belitan terdapat pada
stator yang diam maka sangat mudah untuk mengalirkan arus. Suatu motor BLDC
sebenarnya mirip dengan motor AC sinkron, perbedaannya adalah pada motor AC
sinkron dihasilkan EMF yang sinusoidal. Tetapi kedua jenis motor memiliki medan magnet
putar yang menghasilkan torka pada rotor magnet. Motor BLDC memiliki beberapa
keunggulan dibanding dengan motor DC konvensional, di antaranya adalah
Memiliki efisiensi lebih baik
Lebih andal
Noise lebih sedikit
Umur lebih panjang
Karena rotor tidak memiliki belitan maka tidak terkena gaya sentrifugal
Untuk pengendalian suatu motor BLDC perlu penentuan posisi rotor, dalam praktis dapat
dilakukan dengan menggunakan hall-effect sensor atau rotary encoder untuk mengetahui
secara langsung posisi rotor, tetapi dapat juga dilakukan dengan mengukur EMF balik.
Rotor suatu motor BLDC memiliki jumlah kutub yang genap. Jumlah kutub akan
menentukan step size dan torque ripple. Makin banyak jumlah kutub maka akan
menyebabkan step size dan torque ripple semakin kecil. Pada Gambar-5.16 ditunjukkan
beberapa konfigurasi kutub stator dan rotor pada motor BLDC tiga fasa. Secara kontruksi
motor maka dibedakan dua jenis motor BLDC, yaitu inner rotor motor (in-runner) dan
outer rotor motor (out-runner). Pada jenis yang pertama memiliki keunggulan mampu
-
Diktat Kuliah Pengantar Teknologi Informasi & Industri Dr. Ir. Slamet Riyadi
61
menghasilkan putaran lebih besar sedangkan pada jenis kedua karena rotor memiliki
diameter lebih besar sehingga momen inersia besar dan putarannya lebih lambat.
Gambar-5.16 Beberapa motor BLDC tiga fasa yang dibedakan jumlah kutub stator dan rotor (a) dengan 2 set belitan st