i

TUGAS AKHIR

PENGENDALI KECEPATAN MOTOR AC KALANG

TERTUTUP

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma

Disusun oleh

GREGORIUS ELING PURBA

NIM: 015114049

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2007

ii

FINAL PROJECT

AC MOTOR CLOSED LOOP SPEED CONTROL

In partial fulfillment of the requirements for the degree of

SARJANA TEKNIK of Electrical Engineering Study Program

Compiled By:

GREGORIUS ELING PURBA

NIM: 015114049

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

ENGINEERING FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2007

v

“Tiada Sesempurna Kasih Seorang IBU Dan Tiada Sesuatu Yang Sempurna Untuk

Ku Persembahkan Pada Mu IBU Tugas Akhir Ini Adalah Karya Terbesar Ku

Saat Ini Kan Ku Persembahkan Dalam Tahta

Kemuliaan Kasih Mu IBU.......”

”Karena Kasihnya NYA Aku Tak Akan Pernah Takut Menghadapi Hidup”

vi

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan atas segala limpahan kasih dan karunia-Nya

sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Pengendali

Kecepatan Motor ac Kalang Tertutup”.

Penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah

membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. Pada kesempatan ini penulis

ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1. Bapak Martanto,ST.,M.T. selaku dosen pembimbing I yang telah

memberikan pengarahan, petunjuk, serta saran selama penelitian sehingga

skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.

2. Bapak Ir. Tjendro selaku dosen pembimbing II yang telah memberikan

saran dan bimbingan dalam penulisan skripsi ini.

3. Segenap dosen dan karyawan yang telah rela berbagi pengalaman selama

penulis menempuh studi di Universitas Sanata Dharma.

4. Kedua orang tuaku yang sudah berusaha keras mencari nafkah untuk

membiayai penulis selama menempuh pendidikan di Jogjakarta. Yang juga

dengan sabar menantikan kelulusan penulis.

5. Adikku Yosep Sanata Lingga yang telah rela membagi suka duka selama

di Jogjakarta.

6. Kedua kakakku yang selalu memberikan motifasi-motifasi penulis untuk

segera menyelesaikan skripsi ini.

vii

7. Clara Pramusinta Rini yang tak henti-hentinya memberikan dukungan

penulis untuk segera menyelesaikan skripsi ini.

8. Teman-teman satu angkatan dan satu seperjuangan teknik ELEKTRO

angkatan 2001.

9. Tri Yulizar yang telah merakitkan komputer penulis, Preman Njombor

yang telah menyumbang power supply CPU.

10. Erik, Frangky Ebeck, Cahyo Gendut, Jekson Mbatak, Iblis 30, Tony

Ndayak, Sigit Togel, Inyong, Greg. Agung, mas Mardi dan mas Suryo

selaku laboran TE, Jemek, Kate, Gun dan antok bersaudara, Zhimbah

Okta, Thomas, Mbendol, dll atas kebersamaan, saran, ide dan keceriaan.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan ini masih banyak kekurangan,

oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun

dari berbagai pihak.

Akhirnya penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi dunia

pendidikan ataupun pembaca.

Yogyakarta, 28 Maret 2007

Penulis

Gregorius Eling Purba

ix

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL .................................................................................... i

HALAMAN JUDUL (INGGRIS) ................................................................. ii

HALAMAN PERSETUJUAN ...................................................................... iii

HALAMAN PENGESAHAN....................................................................... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN.................................................................... v

KATA PENGANTAR ................................................................................. vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA........................................................... viii

DAFTAR ISI ................................................................................................ ix

DAFTAR TABEL........................................................................................ .... xiii

DAFTAR GAMBAR................................................................................... .... xiv

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................................ xix

INTISARI..................................................................................................... xx

ABSTRACT ................................................................................................. xxi

BAB I. PENDAHULUAN ....................................................................... .. 1

1.1 Latar Belakang ......................................................................... 1

1.2 Tujuan dan Manfaat ................................................................. 2

1.3 Batasan Masalah....................................................................... 2

1.4 Metodologi Penelitian............................................................... 3

1.5 Sistematika Penulisan ............................................................... 3

BAB II. DASAR TEORI .............................................................................. 5

2.1 Penggerak Motor AC ............................................................... 6

x

2.1.1 Zero Crossing Detector....................................................... 7

2.1.2 Pembentuk Gelombang Segitiga......................................... 10

2.1.3 Pembalik (Inverter)….......……………………………... .. 13

2.1.4 Pembanding(Comparator)................................................... 14

2.1.5 Penyulut………………………………………………….. 15

2.1.6 TRIAC…………………………………………………… 17

2.2 Sensor Kecepatan......................................................................... 19

2.3 Pengubah Frekuensi ke Tegangan................................................ 21

2.3.1 Dasar Pengubah Frekuensi ke Tegangan............................ 22

2.3.2 Pemilihan R1 dan C1........................................................... 23

2.4 Penguat Pengurang....................................................................... 24

2.5 Pengendali.................................................................................... 25

2.5.1 Pengendali Proporsional (P)................................................ 25

2.5.2 Pengendali Diferensial (D).................................................. 26

2.5.3 Pengendali Integral (I)......................................................... 27

2.5.4 Pengendali PI....................................................................... 28

2.6 Pengkondisi Sinyal............................................................................30

BAB III. RANCANGAN PENELITIAN.................................................. ..... 32

3.1 Perancangan Penggerak Motor AC .......................................... 32

3.1.1 Zero Crossing Detector .................................................... 32

3.1.2 Perancangan Pembentuk Gelombang Segitiga .................. 36

3.1.3 Perancangan Pembalik ..................................................... 39

3.1.4 Perancangan Pembanding (Comparator)........................... 40

xi

3.1.5 Perancangan Penyulut ...................................................... 41

3.1.6 Perancangan TRIAC ........................................................ 45

3.2 Perancangan Sensor Kecepatan................................................. 46

3.3 Perancangan Pengubah Frekuensi ke Tegangan ........................ 50

3.4 Perancangan Penguat Pengurang (Difference Amplifier) ......... 52

3.5 Perancangan Pengendali PI (PI Controller)........................... ..... 53

3.6 Perancangan Pengkondisi Sinyal............................................... 54

BAB IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN ................................................ 56

4.1 Zero Crossing Detector............................................................. 56

4.1.1 Penyearah ........................................................................ 56

4.1.2 Transistor Sebagai Saklar................................................. 57

4.2 Pembentuk Gelombang Segitiga ............................................... 59

4.2.1 Pembentuk Segitiga Naik .......................... ........................ 59

4.2.2 Pembalik.............................................................................. 61

4.3 Pembanding.............................................................................. 61

4.4 Penyulut ................................................................................... 62

4.4.1 Rangkaian RC ................................................................. 62

4.4.2 Rangkaian Dioda Pemotong............................................. 63

4.5 Sensor Kecepatan ..................................................................... 63

4.6 Pengubah Frekuensi ke Tegangan............................................. 67

4.7 Sistem Kalang Tertutup ............................................................ 75

BAB V. KESIMPULAN............................................................................... 86

5.1 Kesimpulan .............................................................................. 86

xii

5.2 Saran ........................................................................................ 86

DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………....... 87

LAMPIRAN

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Hubungan antara tegangan masukan dengan putaran

motor......................................................................................... 48

Tabel 4.1 Keluaran sensor dan keluaran pembanding.............................. 65

Tabel 4.2 Tegangan motor dan putaran motor terhadap perubahan masukan

pengkondisi sinyal.................................................................... 66

Tabel 4.3 Keluaran LM2907 terhadap kenaikan frekuensi....................... 69

Tabel 4.4 Residual antara hasil data dengan hasil regresi pengubah frekuensi

ke tegangan................................................................................ 73

Tabel 4.5 Kecepatan putaran motor saat Ki = 1 dan Kp = 1.................... 75

Tabel 4.6 Residual antara hasil data dengan hasil regresi saat Kp = 1 dan Ki =

1………………………………………………………………. 78

Tabel 4.7 Kecepatan putaran motor saat Kp = 1 dan Ki = 10................... 80

Tabel 4.8 Residual antara hasil data dengan hasil regresi saat Kp = 1 dan Ki =

10............................................................................................... 83

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Diagram kotak pengendali kecepatan motor ac kalang

tertutup................................................................................. 6

Gambar 2.2 Diagram kotak pengendali motor ac.................................... 6

Gambar 2.3 Rangkaian penyearah gelombang penuh.............................. 7

Gambar 2.4 Keluaran penyearah gelombang penuh………………….... 8

Gambar 2.5 Rangkaian transistor sebagai saklar..................................... 9

Gambar 2.6 Garis beban dc……………………………………………. 9

Gambar 2.7 Rangkaian sumber arus konstan…………………………... 11

Gambar 2.8 Rangkaian pembentuk tanjakan positif…………………… 13

Gambar 2.9 Rangkaian op-amp sebagai pembalik.................................. 13

Gambar 2.10a Rangkaian op-amp sebagai pembanding………………….. 14

Gambar 2.10b Karakteristik sebuah pembanding........................................ 14

Gambar 2.11 Rangkaian pembentuk pulsa positif dan negatif.................. 15

Gambar 2.12 Rangkaian pembentuk pulsa positif..................................... 16

Gambar 2.13 Rangkaian penguat daya dengan transformator................... 16

Gambar 2.14a Simbol thyristor................................................................... 17

Gambar 2.14b Gambar pn junction............................................................. 17

Gambar 2.15 Rangkaian pemodelan dengan dua transistor...................... 18

Gambar 2.16 Simbol triac......................................................................... 18

Gambar 2.17 Rangkaian triac untuk mengatur putaran motor ac............. 19

Gambar 2.18 Rangkaian sensor................................................................. 20

xv

Gambar 2.19 Komponen dasar IC LM2907.............................................. 22

Gambar 2.20 Rangkaian pengubah frekuensi ke tegangan ……………. 22

Gambar 2.21 Rangkaian Penguat pengurang........................................... 24

Gambar 2.22 Diagram kotak pemakaian pengendali dalam sistem kalang

tertutup............................................................................... 25

Gambar 2.23 Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali P.... 26

Gambar 2.24 Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali D.... 27

Gambar 2.25 Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali I...... 27

Gambar 2.26 Diagram kotak pengendali PI.............................................. 29

Gambar 2.27 Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali PI.... 29

Gambar 2.28 Rangkaian pengendali PI..................................................... 29

Gambar 2.29 Rangkaian pengkondisi sinyal……………………………. 30

Gambar 3.1 Rangkaian penyearah……………………………………... 33

Gambar 3.2 Bentuk keluaran rangkaian penyearah…………………….. 33

Gambar 3.3 Rangkaian transistor sebagai saklar……………………….. 34

Gambar 3.4 Hasil penyaklaran dengan transistor 2N2222....................... 36

Gambar 3.5 Rangkaian sumber arus konstan........................................... 37

Gambar 3.6 Rangkaian pembentuk segitiga naik………………………. 38

Gambar 3.7 Bentuk gelombang segitiga naik………………………….. 39

Gambar 3.8 Rangkaian pembalik segitiga naik....................................... 39

Gambar 3.9 Bentuk gelombang segitiga turun........................................ 40

Gambar 3.10 Rangkaian pembanding…………………………………… 40

Gambar 3.11 Bentuk keluaran pembanding.............................................. 41

xvi

Gambar 3.12a Rangkaian RC……………………………………………... 41

Gambar 3.12b Bentuk gelombang masukan rangkaian RC......................... 42

Gambar 3.12c Bentuk gelombang keluaran rangkaian RC........................ 42

Gambar 3.13a Rangkaian dioda pemotong................................................ 44

Gambar 3.13b Bentuk gelombang masukan dioda pemotong.................... 44

Gambar 3.13c Bentuk gelombang keluaran dioda pemotong..................... 44

Gambar 3.14 Rangkaian penguat daya………………………………….. 45

Gambar 3.15 Rangkian triac…………………………………………….. 45

Gambar 3.16 Rangkaian sensor………………………………………….. 46

Gambar 3.17 Pemasangan piringan pada motor pompa air........................ 47

Gambar 3.18 Kondisi saat cahaya infra merah mengenai piringan.............. 48

Gambar 3.19 Kondisi saat cahaya merah mengenai alluminium foil.......... 48

Gambar 3.20 Grafik hubungan tegangan masukan terhadapa putaran motor

pompa air.............................................................................. 50

Gambar 3.21 Rangkaian pengubah frekuensi ke tegangan......................... 51

Gambar 3.22 Rangkaian penguat pengurang.............................................. 52

Gambar 3.23 Rangkaian pengendali PI………………………………….. 53

Gambar 3.24 Rangkaian pengkondisi sinyal…………………………….. 55

Gambar 4.1 Data keluaran penyearah gelombang penuh......................... 56

Gambar 4.2 Data keluaran transistor sebagai saklar................................. 58

Gambar 4.3 Keluaran penyearah dan keluaran transistor......................... 58

Gambar 4.4 Data keluaran segitiga naik................................................... 59

Gambar 4.5 Data keluaran pembalik…………………………………… 61

xvii

Gambar 4.6 Data keluaran pembanding……………………………….. 61

Gambar 4.7 Data keluaran rangkaian RC……………………………… 62

Gambar 4.8 Data keluaran dioda pemotong…………………………… 63

Gambar 4.9 Pemasangan sensor pada pompa air.................................... 64

Gambar 4.10 Sensor nampak depan…………………………………….. 64

Gambar 4.11 Bentuk keluaran sensor saat mendeteksi putaran pompa

air......................................................................................... 64

Gambar 4.12 Grafik hubungan antara tegangan masukan penggerak motor

dengan kecepatan putaran motor.......................................... 67

Gambar 4.13 Grafik hubungan frekuensi dengan keluaran LM2907........ 70

Gambar 4.14 Grafik hasil data dengan hasil regresi pegubah frekuensi ke

tegangan............................................................................... 72

Gambar 4.15 Grafik hubungan tegangan set point dengan putaran motor saat

Ki =1 dan Kp = 1.................................................................. 76

Gambar 4.16 Grafik hasil data dengan hasil regresi saat Kp =1 dan Ki =

1........................................................................................... 77

Gambar 4.17 Tanggapan sistem antara set point dengan keluaran LM2907

saat Kp =1 dan Ki = 1........................................................... 79

Gambar 4.18 Tanggapan sistem antara set point dengan pengkondisi sinyal

saat Kp = 1 dan Ki = 1.......................................................... 80

Gambar 4.19 Grafik hubungan tegangan set point dengan putaran motor saat

Kp = 1 dan Ki = 10............................................................... 81

xviii

Gambar 4.20 Grafik hasil data dengan hasil regresi saat Kp = 1 dan Ki = 10

.............................................................................................. 82

Gambar 4.21 Tanggapan sistem antara set point dengan keluaran LM2907

saat Kp = 1 dan Ki = 10........................................................ 84

Gambar 4.22 Tanggapan sistem antara set point dengan pengkondisi sinyal

saat Kp = 1 dan Ki = 10........................................................ 84

xix

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A Rangkaian pengendali kecepatan motor ac kalang

tertutup................................................................................. L1

LAMPIRAN B Tabel selisih tegangan set point dengan keluaran LM2907 dan

keluaran pengkondisi sinyal................................................. L2

LAMPIRAN C Data sheet………………………………………………… L3

xx

INTISARI

Penelitian ini untuk merancang dan mengimplementasikan pengendali

kalang tertutup untuk pengaturan kecepatan motor ac.

Motor ac yang digunakan pada penelitian ini adalah pompa air ac. Putaran

dari motor akan dideteksi dengan menggunakan foto interupsi dan diubah dari

frekuensi ke tegangan menggunakan LM2907. Triac digunakan untuk

menggerakan kecepatan motor ac. Batas tegangan masukan yang digunakan untuk

menggerakan motor antara 0V sampai dengan 5V. Penyisipan pengendali PI

digunakan untuk mempertahankan keadaan mantap sistem.

Hasil penelitian ini menyatakan bahwa batas tegangan masukan untuk

menggerakan kecepatan motor ac adalah antara 1,4V sampai dengan 4,8V, dengan

jangkauan tersebut didapatkan kecepatan putaran motor antara 327,5Rpm sampai

dengan 1893,4Rpm.

Kata kunci: Kalang tertutup; motor ac

xxi

ABSTRACT

This research is to design and implementation closed loop control for ac

motor speed controller.

Ac motor used in this research is ac water pump. Rotation from the motor

detected using photo interuptor and converted from frequency to voltage using

LM2907. Triac is used to drive speed of ac motor. Level of input voltage to drive

of speed motor is between 0V up to 5V. Insertion of PI controller is used to

maintaining of steady state system.

The result of this research expresses that level of input voltage to drive

speed of ac motor is between 1.4V up to 4.8V, with this range has gotten the

rotation speed of ac motor between 327.5Rpm up to 1893.4Rpm.

Key word: Closed loop; ac motor

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah Perkembangan teknologi dalam bidang elektronika hingga saat ini dirasa

sangat menakjubkan. Berbagai instrumen elektronika yang menerapkan teknologi

rangkaian terpadu telah melahirkan kecanggihan-kecanggihan dalam dunia nyata.

Kecanggihan teknologi ini telah merayap hampir di segala sektor kehidupan,

misalnya di bidang industri, bidang rumah tangga, bidang farmasi, bidang

kedokteran, bahkan bidang pertanian.

Sebagai akibat perkembangan teknologi yang cukup pesat, saat ini sering

dijumpai suatu objek yang berputar, salah satu contohnya adalah motor ac.

Perputaran motor ac tidak selalu tetap melainkan dapat dikendalikan berubah-

ubah sesuai dengan yang diinginkan.

Dalam pengendalian suatu alat, sistem elektronika terbagi menjadi dua, yaitu

sistem closed loop atau kalang tertutup dan sistem open loop atau kalang terbuka.

Pada sistem open loop umumnya dipakai untuk mengendalikan sistem secara

manual. Sedangkan sistem closed loop menitik beratkan pada pemikiran

bagaimana membuat suatu instrumen elektronika dapat menentukan besaran yang

diinginkan dengan sistem umpan balik. Umpan balik yang digunakan dalam suatu

sistem ada berbagai macam, sebagai contoh adalah sebuah pengubah frekuensi ke

tegangan.

Dengan sitem umpan balik pengubah frekuensi ke tegangan, putaran sebuah

motor ac dapat diketahui nilai tegangannya. Nilai tegangan yang terukur akan

berfariasi sesuai dengan perubahan putaran motor. Dengan penambahan-

penambahan komponen lain yang mendukung, akan dirancang sebuah sistem

pengendali motor ac kalang tertutup.

11

1.2 Tujuan dan Manfaat

1.2.1 Tujuan

1. Membuat sebuah pengendali motor ac kalang tertutup yang mampu

memberikan perbandingan yang sebanding antara tegangan

masukan dengan kecepatan putaran motor ac dan perbandingan

tersebut akan membentuk hubungan yang linear.

2. Mempelajari kinerja sistem pengendali motor ac kalang tertutup

secara sistematis dan mewujudkannya dalam ilmu pengetahuan

terapan.

1.2.2 Manfaat

Penelitian karya ini diharapkan mampu menambah wawasan

pembaca dalam mengetahui kinerja dari sistem pengendali motor ac

kalang tertutup. Dengan selesainya penelitian ini maka tersedia peralatan

untuk pengendalian putaran motor ac yang menggunakan sistem umpan

balik. Konsep dan dasar teori yang tertuang dalam penelitian ini dapat

menambah literatur tentang perancangan pengendali motor ac kalang

tertutup.

1.3 Batasan Masalah Pengendalian motor ac kalang tertutup menerapkan ilmu-ilmu dasar

elektronika dan mekanik. Penulisan disasarkan pada fungsi-fungsi komponen

yang dipakai dalam penelitian.

Pengendali motor ac dirancang dengan metode-metode perancangan

sistem analog. Motor ac yang digunakan adalah pompa air tanpa beban. Putaran

motor akan dideteksi dengan sebuah sensor yang terdiri dari infra merah dan

fototransistor. Umpan balik yang digunakan adalah sebuah IC pengubah frekuensi

ke tegangan yaitu LM2907. Untuk merespon pengaruh umpan balik terhadap

2

tegangan set point sebagai nilai awal maka disisipkan sebuah pengendali

proporsional dan pengendali integral (PI). Besarnya konstanta proporsional

diberikan sebesar 1 dan besarnya konstanta integral diberikan sama dengan 1 dan

sama dengan 10. Jangkauan tegangan set point yang digunakan adalah antara 0V

sampai dengan 5V.

Analisa matematis untuk dasar teori tidak menguraikan asal mula

terjadinya rumus secara mendetail, namun diantaranya perlu penguraian-

penguraian tertentu.

1.4 Metodologi Penelitian Selama melaksanakan penelitian pada sistem pengendali putaran motor ac

kalang tertutup, diperlukan langkah-langkah sebagai berikut:

1. Studi literatur

Penulis mencari bahan-bahan penulisan dari literatur-literatur yang

tersedia di perpustakaan, internet dan sumber-sumber lain yang ditemui

penulis dalam perjalanannya.

2. Perancangan

Setelah mandapat literatur yang lengkap penulis mulai merancang sistem

dengan melakukan percoban-percoban dengan software (simulasi).

3. Pembuatan hardware tiap sistem

Penulis mengaplikasikan sistem yang telah dirancang pada papan

rangkaian atau PCB.

1.5 Sistematika Penulisan

BAB I. PENDAHULUAN

Mengawali penulisan dijelaskan tentang latar belakang masalah,

tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode penelitian serta

sistematika penulisan.

3

BAB II. DASAR TEORI

Dalam bab ini dituliskan semua teori dari sistem yang sedang

diteliti. Penulisan dikelompokan menjadi enam bagian. Yang pertama isi

penulisan tentang bagian pengendali motor, meliputi zero crossing,

pembentuk gelombang segitiga, pembanding dengan op-amp, penyulut

dan TRIAC. Yang kedua isi penulisan tentang sensor. Yang ketiga isi

penulisan tentang umpan balik yaitu pengubah frekuensi ke tegangan

menggunakan LM2907. Yang keempat isi penulisan tentang penguat

diferensial. Yang kelima isi penulisan tentang pengendali PI. Yang

keenam isi penulisan tentang pengondisi sinyal.

BAB III. RANCANGAN PENELITIAN

Isi penulisan pada bab ini meliputi pemilihan komponen-

komponen yang dibutuhkan, perhitungan nilai-nilai yang diinginkan serta

penjelasan tentang cara kerja dari sistem pengendali putaran motor ac

kalang tertutup.

BAB IV. DATA DAN ANALISA

Isi penulisan pada bab ini meliputi data-data yang diperoleh pada

penelitian. Data hasil penelitian akan dianalisa baik secara perhitungan

maupun secara teori.

BAB V. PENUTUP

Isi penulisan pada bab ini meliputi kesimpulan dan saran dari hasil

akhir penelitian.

DAFTAR PUSTAKA

Berisi buku-buku refrensi yang dijadikan panduan dalam

penelitian.

4

5

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas tentang teori-teori dasar dari rangkaian-

rangkaian pengendali motor ac kalang tertutup. Rangkaian-rangkaian tersebut

meliputi rangkaian pengendali motor, rangkaian sensor, rangkaian umpan balik

yang berupa pengubah frekuensi ke tegangan, rangkaian penguat diferensial,

rangkaian pengendali PI dan rangkaian pengkondisi sinyal.

Gambar 2.1 adalah gambar diagram kotak pengendali kecepatan motor ac

kalang tertutup. Sesuai dengan namanya, sistem yang akan digunakan adalah

sistem kalang tertutup. Namun sebelum masuk ke teori-teori rangkaian pengendali

motor ac kalang tertutup, ada baiknya akan dibahas terlebih dahulu apa itu yang

dimaksud dengan sistem kalang tertutup dan apa bedanya dengan sistem kalang

terbuka.

Sistem kalang tertutup adalah sebuah sistem pengendalian dimana besaran

keluaran memberikan efek terhadap besaran masukan sehingga besaran yang

dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga yang diinginkan. Selanjutnya

perbedaan harga yang terjadi antara besaran yang dikendalikan dengan besaran

yang diinginkan akan menjadi koreksi sebuah sistem yang nantinya akan

dijadikan sebagai sasaran pengendalian.

Sistem kalang terbuka adalah sistem pengendalian dimana keluaran tidak

memberikan efek terhadap besaran masukan, sehingga nilai yang dikendalikan

tidak dapat dibandingkan terhadap nilai yang diinginkan.

Dengan demikian jelas bahwa sebuah sistem pengendali motor ac kalang

tertutup pada penelitian ini akan menggunakan sistem kalang tertutup dimana

keluaran dari sistem yaitu putaran motor pompa air yang akan diubah menjadi

besaran tegangan (sebagai tegangan terukur) akan memberikan efek terhadap

masukan berupa set point. Perbedaan harga antara set point dengan tegangan

terukur tersebut akan menjadi sebuah sinyal kesalahan (error).

5

6

Dengan sistem kalang tertutup diharapkan sistem yang akan dirancang

mampu mengoreksi perbedaan antara set point dengan tegangan terukur sehingga

hasil koreksi yang terjadi tersebut dapat memberi masukan pada sistem yang akan

dirancang itu sendiri.

Gambar 2.1. Diagram kotak pengendali kecepatan motor ac kalang tertutup

2.1 Penggerak Motor AC

Diagram kotak sebuah penggerak motor ac dapat di lihat pada gambar 2.1.

Penggerak motor terdiri dari penggabungan beberapa rangkaian elektronika, yaitu

Zero crossing, pembentuk gelombang segitiga, pembalik (inverter), pembanding

(comparator), Rangkaian penyulut dan triac.

Gambar 2.2. Diagram kotak penggerak motor ac

Pengendali

PI

Penggerak

Motor AC

Sensor Pengubah Frekuensi

ke Tegangan

Pengkondisi

sinyal

Zero

Crossing

Detector

Pembentuk

Gelombang

Segitiga TRIAC

Rangkaian

Penyulut Pembanding Pembalik

7

2.1.1 Zero Crossing Detector

Zero crossing terdiri dari dua buah rangkaian, yaitu penyearah gelombang

penuh dan transistor sebagai saklar. Kedua rangkaian tersebut akan diuraikan

secara terpisah.

1. Penyearah

Gambar 2.3 adalah penyearah gelombang penuh menggunakan

jembatan dioda.

Gambar 2.3. Gambar rangkaian penyearah gelombang penuh

Saat siklus positif D1 dan D4 akan bekerja, D2 dan D3 terbuka sehingga

tegangan mengalir melalui D1 dan melalui D4. Sedangkan saat siklus

negatif D2 dan D3 bekerja, D1 dan D4 terbuka sehingga tegangan mengalir

melalui D2 dan melalui D3 (Muhammad H Rashid, 1999). Dua proses

siklus inilah yang akan menghasilkan gelombang penuh.

Tegangan puncak keluaran pada beban adalah

Vp = Vrms√2 (2.1)

Dengan

Vp = tegangan puncak

Vrms = tegangan transformator

8

nilai rata-rata tegangan dc dari gambar 2.3 adalah

Vdc = 0,636Vpuncak (2.2)

Gambar 2.4. Keluaran penyearah gelombang penuh

2 Transistor sebagai Saklar

Transistor dapat digunakan sebagai saklar jika transistor bekerja

pada daerah jenuh (saturation) dan daerah tersumbat (cut off). Rangkaian

dasarnya dapat dilihat pada gambar 2.5. Transistor sendiri mempunyai

tiga daerah kerja yaitu, daerah jenuh (saturation), daerah tersumbat (cut

off) dan daerah aktif.

a. Daerah jenuh

adalah daerah dimana tegangan antara emiter dan kolektor (VCE) sama

dengan nol volt.

b. Daerah tersumbat

Pada saat arus basis sama dengan nol maka transistor memasuki daerah

tersumbat. Karena arus basis membias kolektor maka arus kolektor pun

menjadi nol dan VCE sama dengan Vcc.

c. Daerah aktif

Antara daerah jenuh dan daerah tersumbat adalah daerah aktif.

9

Gambar 2.5. Rangkaian transistor sebagai saklar

Jika sebuah transistor berada dalam keadaan tersumbat, transistor

tersebut seperti sebuah saklar terbuka. Jika transistor berada dalam

keadaan jenuh maka transistor seperti sebuah saklar tertutup dari kolektor

ke emitter. Gambar 2.6 adalah karakteristik daerah kerja transistor.

RcVcc

saklar tertutup

Saklar terbuka

Vcc

Gambar 2.6. Garis beban dc

Dari persamaan loop masukan Vcc pada gambar 2.5 tegangan

antara kolektor dan emitter dapat dacari dengan persamaan

VCE = Vcc – IC Rc (2.3)

Pada keadaan jenuh, transistor terlihat seperti saklar yang tertutup, dapat

dibayangkan bahwa kaki kolektor dan emitor terhubung singkat, sehingga

nilai VCE sama dengan nol, sehingga

0 = Vcc - IC(sat) Rc

10

Ic(sat) = C

CC

R

V (2.4)

Sehingga arus basis saat transistor dalam keadaan jenuh adalah

IB(sat) = β

)(satIc (2.5)

Jika arus basis (IB) lebih besar atau sama dengan IB(sat), titik kerja

transistor berada pada ujung atas dari garis beban (Gambar 2.6). Dalam hal

ini, transistor seperti saklar tertutup (jenuh). Sebaliknya, jika IB sama

dengan nol, transistor bekerja pada ujung bawah dari garis beban, dan

transistor seperti sebuah saklar terbuka (cut off).

Dari arus basis jenuh (IB(sat)) dapat dicari nilai resistor yang

disambungkan seri dengan kaki basis transistor.

IB(sat) RB + VBE – VB = 0

RB = )(satB

BEB

I

VV − (2.6)

Pada keadaan tersumbat, dapat dibayangkan bahwa kaki kolektor dan

emitor terbuka, sehingga tegangan antara kolektor dan emitor adalah VCC.

CCCE VV =

2.1.2 Pembentuk Gelombang Segitiga

Pembentuk gelombang segitiga terdiri dari sumber arus dan pembentuk

tanjakan positif. Pembentuk segitiga naik terdiri dari transistor sebagai saklar dan

sebuah kapasitior.

11

1. Sumber Arus Konstan

Dari gambar 2.7 kedua transistor (Q3 dan Q4) mempunyai tegangan

jatuh basis emitor yang sama (IB1 = IB2) dan nilai beta yang sama (β1 = β2).

Gambar 2.7. Rangkaian sumber arus konstan

Transistor Q2 digunakan sebagai saklar, saat tegangan Va lebih

besar dari nol, transistor Q2 akan tersumbat dan Vx sama dengan Vcc

sehingga tidak ada arus Ix yang mengalir melalui hambatan Rx. Saat Va

sama dengan nol, maka transistor Q2 akan jenuh dan Vx sama dengan nol,

sehingga ada arus Ix yang mengalir melalui hambatan Rx.

Arus Ix yang dihasilkan dari resistor Rx pada transistor Q3 akan

dicerminkan di dalam arus I melaui transistor Q4 [Boylestad dan

Nashelsky,1996]. Jika diasumsikan bahwa arus emitor (IE) untuk kedua

transistor adalah sama, maka arus pada kaki basis dapat dituliskan sebagai

berikut

IB = 1+β

EI ≈ βEI ; β ≥ 100 (2.7)

12

Jika arus pada kaki kolektor

IC ≈ IE

Maka arus yang melalui Rx yaitu Ix adalah

Ix = IE + IB

Arus basis (IB) yang mengalir pada resistor Rx merupakan dua kali arus

basis transistor, sehingga persamaan menjadi

Ix = IE + βEI2

= ( )

EEEE IIII

≈+

=+β

βββ

β 22

Dengan kata lain, arus konstan yang dihasilkan kaki kolektor pada

transistor Q4 merupakan cerminan dari transistor Q3, dengan Ix adalah

Ix = X

BEBECC

R

VVV 21 −− (2.8)

Dengan

VBE1 = tegangan basis emitor pada transistor Q3

VBE2 = tegangan basis emitor pada transistor Q2

2. Pembentuk Tanjakan Positif

Pada gambar 2.8 transistor Q5 digunakan sebagai saklar. Saat

tegangan Va sama dengan nol, transistor Q5 akan tersumbat, sehingga

sumber arus konstan (Ix) dapat mengisi kapasitor. Saat tegangan Va lebih

besar dari nol maka taransitor Q5 akan jenuh sehingga arus Ix akan

mengalir ke ground dan kapasitor akan mengalami pelucutan. Tegangan di

titik Vc sebanding dengan integral arus Ix, yaitu

13

Vc = ∫ IxC

1dt

Vc = tCIx× (2.9)

Gambar 2.8. Rangkaian pembentuk tanjakan positif

2.1.3 Pembalik (Inverter)

Sebuah op-amp dapat digunakan sebagai rangkian pembalik seperti yang

terlihat pada gambar 2.9.

Gambar 2.9 Rangkaian op-amp sebagai pembalik

Jika nilai masukannya positif maka keluaran akan negatif karena masukan berada

pada kaki membalik op-amp. Sedang saat masukan negatif maka keluaran akan

menjadi positif. Besarnya penguatan dari gambar 2.9 adalah

14

A = -1

2

R

R (2.10)

Besarnya keluaran dapat ditentukan sebagai berikut

Vout = Vin x -1

2

R

R (2.11)

2.1.4 Pembanding (Comparator)

Gambar 2.10a adalah sebuah pembanding yang berfungsi untuk

membandingkan tengangan yang masuk melalui kaki tidak membalik dengan

masukan pada kaki membalik.

Gambar 2.10a. Rangkaian op-amp sebagai pembanding

Saat tegangan masukan Vin mempunyai nilai tegangan lebih besar dari

tegangan Vref atau Vin > Vref, maka tegangan keluaran Vout akan -Vsaturasi.

Sedangkan saat tegangan masukan Vin mempunyai nilai tegangan lebih kecil dari

tegangan Vref atau Vin < Vref, maka tegangan keluaran Vout akan bernilai

+Vsaturasi. Lihat gambar 2.10b.

Vout

+Vsat Tinggi Vref

0v Vin

+Vsat Rendah

Gambar 2.10b. Karakteristik sebuah pembanding

15

2.1.5 Penyulut

Penyulut adalah sebuah rangkaian yang dapat menghasilkan gelombang

keluaran dalam bentuk pulsa-pulsa. Ada tiga buah rangkaian di dalam sebuah

penyulut, yaitu rangkaian RC, rangkaian dioda pemotong dan penguat daya.

Rangkaian-rangkaian tersebut akan diuraikan satu per satu.

1. Rangkaian RC

Sebuah rangkaian RC digunakan untuk menghasilkan keluaran

pulsa positif dan negatif dari sebuah masukan gelombang kotak. Gambar

2.11 adalah rangkaian RC dengan masukan berupa gelombang kotak. Jika

tetapan waktu RC (=τ ) sangat kecil dibandingkan dengan setengah

perioda T dari tegangan masukan (τ « ½ T), maka tegangan keluaran yang

terdapat pada hambatan R berbentuk deretan pulsa positif dan negatif [M

Barmawi dan M O Tjia, 1993].

τ = RC « T×2

1

Gambar 2.11. Rangkaian pembentuk pulsa positif dan negatif

2. Dioda Pemotong

Penambahan dioda pada keluaran rangkaian RC akan memotong

pulsa negatif, sehingga diperoleh keluaran yang berbentuk pulsa positif

saja [M Barmawi dan M O Tjia, 1993]. Gambar 2.12 adalah sebuah

rangkaian pembentuk pulsa positif.

16

Gambar 2.12. Rangkaian pembentuk pulsa positif

3. Penguat Daya

Dengan menggunakan transformator, penguatan dari masukan yang

bernilai kecil dapat diperkuat sehingga dapat menjalankan sebuah beban

keluaran. Penguat daya dengan transformator yang tergandeng dengan

keluaran dapat memperkuat daya yang hilang akibat tahanan-dalam sebuah

alat jauh lebih besar dari pada tahanan dalam sebuah beban [Barmawi dan

M O Tjia, 1993]. Gambar 2.13 adalah sebuah penguat daya dengan

transformator.

Gambar 2 13. Rangkaian penguat daya dengan transformator

Ketika suatu pulsa dengan tegangan yang mencukupi diberikan ke

kaki basis transistor Q1, transistor akan saturasi dan tegangan dc Vcc akan

terlihat di sepanjang lilitan primer transformator, yang akan memberikan

tegangan pulsa pada lilitan sekunder transformator yang langsung

diberikan pada gerbang triac dan terminal katoda. Ketika tegangan pulsa

masukan sama dengan nol, transistor Q1 akan tersumbat dan tegangan

dengan polaritas terbalik akan menginduksi lilitan primer dari

17

transformator dan membuat dioda Dm tersambung. Arus karena energi

magnetik transformator akan menghilang melalui Dm ke nol. Selama masa

transien itu, tegangan balik terjadi pada lilitan sekunder [Muhammad H

Rashid, 1999].

2.1.5 TRIAC

Triac adalah thyristor yang konduktif pada dua arah. Thyristor itu sendiri

adalah sebuah komponen semikonduktor empat lapisan berstruktur pnpn dengan

tiga pn junction. Thyristor mempunyai tiga terminal, yaitu anoda, katoda dan

gerbang. Gambar 2.14a adalah simbol dari thyristor dan gambar 2.14b adalah

bagan dari pn junction.

Gambar 2.14a. Simbol thyristor

Gambar 2.14b. Gambar pn junction

Thyristor dapat dimodelkan dengan transistor, gambar 2.15 adalah

pemodelan thyristor dengan dua buah transistor.

Gambar 2.15 adalah pemodelan dengan dua transistor, dapat dijelaskan

bagaimana thyristor akan mendapatkan pemicuan melalui masukan gerbang.

Dengan menerapakan forward bias (prategangan maju) pada salah satu basis

transistor (di titik G), maka thyristor dapat menjadi ON. Sebuah pemicu dengan

tegangan positif akan menjadi masukan bagi kaki basis transistor Q2. Mula-mula

tegangan picu belum diberikan pada basis Q2, maka tegangan keluaran akan sama

dengan tegangan masukan pada anoda. Karena ke dua transistor akan berprilaku

seperti saklar terbuka. Saat tegangan picu diberikan pada kaki basis Q2, maka arus

p

n

p

n

18

kolektor Q2 akan segera mengalir ke kaki basis Q1. Akibatnya, arus kolektor pada

Q1 akan dapat mengalirkan arus ke kaki basis Q2. Demikian seterusnya proses ini

akan berlangsung hingga ke dua transistor dalam keadaan jenuh [M Barmawi dan

M O Tjia, 1993].

Gambar 2.15. Rangkaian pemodelan dengan dua transistor

Triac merupakan sebuah komponen yang mampu bekerja pada dua arah

(bidirectional), maka tidak perlu penamaan dengan menggunakan anoda dan

katoda. Gambar 2.16 adalah simbol dari sebuah triac.

Gambar 2.16. Simbol triac

Jika MT2 negatif terhadap MT1, maka untuk menghidupkan T2 gerbang

harus diberi sudut picu positif. Jika MT2 positif terhadap MT1, maka diberikan

pemicuan negatif pada gerbang agar T1 hidup. Triac tidak membutuhkan

penggunaan kedua sudut picu ini secara bersamaan, karena dengan satu sudut picu

saja (positif atau negatif) sebuah triac sudah dapat dihidupkan. Triac biasanya

19

bekerja di kuadran satu (tegangan dan arus gerbang positif) dan kuadran tiga

(tegangan dan arus gerbang negatif) [Muhammad H Rashid, 1999].

Gambar 2.17 adalah rangkaian triac yang digunakan untuk mengatur

putaran motor ac. Rangkaian RC yang tersusun seri adalah sebuah rangkaian

snubber. Snubber berfungsi untuk memberikan tambahan arus saat arus yang

mengalir dari triac belum mampu menggerakan motor ac.

Persamaan untuk mendapatkan nilai R dan C adalah

RC

VsVdtdv ×

=632.0

(2.12)

Gambar 2.17. Rangkaian triac untuk mengatur putaran motor ac

2.2 Sensor Kecepatan

Gambar 2.18 adalah sebuah sensor yang terdiri dari LED infra merah dan

fototransistor. Sensor ini sering disebut dengan optokopel. Hanya saja LED infra

merah dan fototransistor pada gambar 2.18 tersusun terpisah tidak dalam

kemasan.

LED infra merah mempunyai prinsip kerja yang sama dengan LED biasa.

Perbedaanya pada cahaya yang dipancarkan. Pada LED infra merah cahaya yang

dipancarkan merupakan cahaya tidak tampak sedangkan pada LED biasa cahaya

t

VsV

dt

dv ×=

632.0

20

yang dipancarkan merupakan cahaya tampak. LED infra merah dilengkapi dengan

lensa agar cahaya yang dipancarkan lebih fokus atau tidak menyebar. Sehingga

dapat ditransmisikan ke penerima (fototransistor) dengan baik.

Fototransistor merupakan tranduser optis karena dapat mengubah efek

cahaya (infra merah) menjadi sinyal listrik.

Prinsip kerja sensor pada gambar 2.18 adalah saat fototransistor terkena

cahaya dari LED infra merah maka fototransistor akan ON. kaki kolektor dan

emitor akan terhubung (Vce ≈ 0V) sehingga Vout sama dengan nol. Sedangkan

saat fototransistor tidak terkena cahaya dari LED infra merah, fototransistor akan

OFF kaki kolektor dan emitor tidak terhubung (Vce ≈ Vcc) dan Vout sama dengan

Vcc.

Rangkaian op-amp berfungsi untuk mengkondisikan sinyal keluaran

sensor. Hal ini dilakukan agar kondisi ON-OFF (0 dan 1) dari sensor dapat

diperjelas.

Gambar 2.18. Rangkaian sensor

Nilai R1 dan R2 dapat dicari dengan jalan sebagai berikut

R1 = Id

VdVCC − (2.13)

21

R2 = Ic

VV CECC − (2.14)

Dengan Id adalah arus yang mengalir pada dioda sebagai sumber cahaya (LED

infra merah), Ic adalah arus yang mengalir di kaki kolektor pada penerima

(fototransistor). Vd merupakan tegangan pada infra merah, tegangan antara kaki

kolektor dengan emitor adalah VCE.

2.3 Pengubah Frekuensi ke Tegangan

Komponen dengan seri LM2907 dikembangkan untuk mengubah besaran

frekuensi ke besaran tegangan. LM2907 menyediakan tegangan keluaran yang

sebanding dengan masukan frekuensi dan menghasilkan keluaran nol pada

frekuensi nol. LM2907 bekerja dengan sumber tegangan Vcc tunggal (single

supply). Semua keluarga LM2907 memiliki tiga komponen dasar yaitu

a. Masukan hysteresis amplifier

Masukan hysteresis ada pada pin 1 dan 8. semua perhitungan akan

dilakukan didalam IC LM2907.

b. Charge Pump

Adalah sebuah komponen pengubah frekuensi ke tegangan.

c. Comparator

Sebagai pembanding antara keluaran dari charge pump dengan keluaran

yang diinginkan. Ketiga komponen dasar tersebut dapat dilihat pada gambar 2.19.

Masing-masing komponen akan melaksanakan tugasnya sendiri sesuai dengan

fungsinya

22

Gambar 2.19. Komponen dasar IC LM2907

2.3.1 Dasar Pengubahan Frekuensi ke Tegangan

Gambar 2.20 adalah gambar rangkaian LM2907 untuk mengubah frekuensi

ke tegangan.

VCC

C1

R2

C2

Rl

Vout

RinCin

Fin

2 3 4 5 6 7

9101314

1

81112

Gambar 2.20. Rangkaian pengubah frekuensi ke tegangan

Sebuah sinyal frekuensi akan masuk ke charge pump melalui pin 1 pada

kaki masukan IC LM2907. Tegangan yang muncul pada pin 2 akan berayun

diantara dua nilai yaitu berkisar antara 2,3 volt dan 8,3 volt (data sheet).

Tegangan keluaran yang dapat dicari dengan persamaan

Vout = Vcc x fin x C1 x R1 (2.15)

23

Dengan

Vcc = tegangan catu daya

R1 = resistor pada pin 3

C1 = kapasitor pada pin 2

fin = frekuensi masukan maksimal

Keluaran pin 4 (kaki emitor) akan dihubungkan dengan masukan

membalik dari komponen op-amp. Sehingga nilai pada pin 4 akan mengikuti pin 3

dan menghasilkan sebuah keluaran tegangan pada pin 5.

2.3.2 Pemilihan R1 dan C1

Beberapa batasan dalam pemilihan R1 dan C1 harus dipertimbangkan untuk

mendapatkan kinerja yang maksimal pada pengaplikasian LM2907. Agar hasil

pengoperasian LM2907 lebih akurat maka nilai C1 harus lebih besar dari 500pF.

Jika nilai C1 lebih kecil dari 500pF maka dapat menyebabkan kebocoran arus

pada R1. Sedangkan untuk pemilihan nilai R1 sendiri ditentukan dengan batasan

bahwa jika nilai R1 sangat besar maka dapat mengurangi kelinieritasan keluaran

pada LM2907.

Nilai C1 dapat dicari dengan cara sebagai berikut

C1 = max

2

fVcc

I

⋅ (2.16)

Dengan

I2 = arus yang mengalir pada pin 2

f max = frekuensi maksimal dari pengukuran putaran motor ac.

Pemilihan kapasitor C2 berkaiatan dengan ripple yang dihasilkan dari

keluaran LM2907. semakin besar C2 maka ripple yang terjadi semakin kesil.

[http\\www.datasheetcatalog.com\lm2907.pdf].

24

2.4 Penguat Pengurang (Difference Amplifier)

Gambar 2.21 adalah rangkaian penguat diferensial. Dengan kedua

masukan pada kaki membalik dan tidak membalik, sebuah penguat diferensial

mempunyai keluaran yang sebanding dengan selisih tegangan masukan tersebut.

Penguat diferensial dapat memberikan sebuah penguatan yang tetap saat nilai

semua hambatannya sama. Penguatan yang dihasilkan adalah sebesar 1.

Gambar 2. 21. Rangkaian Pengurang

Besarnya tegangan keluaran dapat dicari dengan persamaan berikut

Vout =

+

++

− 2

21

2

3

41

3

4 1 xVRR

R

R

RxV

R

R (2.17)

Jika nilai semua hambatannya sama, maka tegangan keluarannya adalah selisih

antara tegangan V1 dengan tegangan V2.

Vout = V1 – V2 (2.18)

25

feedback

pengendali Proses

2.5 Pengendali

Pengendali umumnya disisipkan pada loop yang sudah ada sehingga

merupakan bagian dari penguatan dalam arah maju (forward gain) seperti yang

terlihat pada gambar 2.22.

Gambar 2.22. Diagram kotak pemakaian pengendali dalam sistem kalang tertutup

Masukan pengendali ini adalah sebuah sinyal kesalahan (e(t)). Dengan

mengatur pengendali, maka sinyal keluaran pengendali (m(t)) yang disebut juga

sebagai sinyal penggerak (actuating signal) dapat diubah untuk menghasilkan

respon sistem yang diinginkan.

Ada tiga buah pengendali yang sering digunakan pada sebuah sistem, yaitu

pengendali proporsional (pengendali jenis P), pengendali diferensial (pengendali

jenis D) dan pengendali jenis integral (pengendali jenis I). Pengertian yang akan

dijelaskan tertuju pada kelebihan dan kekurangan dari masing-masing pengendali.

2.5.1 Pengendali Proporsional (P)

Pada pengendali jenis ini terdapat hubungan kesebandingan antara

keluaran terhadap kesalahan (error), kesebandingan tersebut dapat dilihat pada

gambar 2.23. Transfer function pengendali P adalah sebagai berikut

Tegangan Keluaran m(t) = k x e(t) (2.19)

dengan k adalah konstanta kesebandingan dan e adalah sinyal kesalahan.

Pertambahan harga K akan menyebabkan penguatan sistem ikut bertambah

besar. Dengan demikian, kecepatan respon dapat dipercepat begitu pula kesalahan

26

(error) yang terjadi dapat dikurangi. Pengendali jenis P hanya mampu

mengurangi kesalahan dan tidak mempu menghilangkan kesalahan. Dengan

penambahan nilai K, sistem akan lebih sensitif terhadap perubahan masukan,

sehingga dapat menyebabkan ketidak setabilan sistem itu sendiri [Sahat

Pakpahan, 1987].

Volt

masukan

t

keluaran

t

Gambar 2.23. Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali P

2.5.2 Pengendali Diferensial (D)

Keluaran dari pengendali ini merupakan diferensial dari masukan

pengendali itu sendiri. Pengendali jenis D tidak mampu mengeluarkan keluaran

bila tidak ada perubahan masukan, selain itu pengendali D tidak dapat dipakai

untuk proses variabel yang beriak (mengandung noise) [Frans Gunterus, 1994].

Bentuk dari transfer function sebuah pengendali jenis D adalah sebagai berikut

Tegangan Keluaran m(t) = k x Td x dt

det (2.20)

Dengan

k = konstanta diferensial

Td = waktu diferensial

e = kesalahan (error)

karena sifatnya yang mirip dengan diferensiator murni, maka untuk

masukan berbentuk step akan menjadi keluaran yang berbentuk pulsa dan untuk

masukan berbentuk lereng akan dihasilkan keluaran yang berbentuk step seperti

yang terlihat pada gambar 2.24.

27

Volt Volt

masukan masukan

t t

keluaran keluaran

t t

Gambar 2.24. Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali D

2.5.3 Pengendali Integral (I)

Pengendali jenis ini digunakan untuk menghilangkan steady state error

(kesalahan dalam keadaan mantap) pada sebuah sistem. Pengendali integral atau

pengintegral (integrator) adalah rangkaian yang menyediakan integrasi secara

matematis karena dapat menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan

integral masukan [Sahat Pakpahan, 1987]. Pengendali jenis I akan menyebakan

keterlabatan respon karena sifatnya yang tidak mengeluarkan keluaran sebelum

selang waktu tertentu [Frans Gunterus, 1994]. Bentuk transfer function nya

sebagai berikut

Tegangan Keluaran m(t) = i

p

T

k∫ )(te dt (2.21)

Dengan Ti1

adalah konstanta integral.

Pemakaian yang umum adalah dengan masukan yang tetap akan

menghasilkan keluaran berbentuk lereng (ramp) seperti diperlihatkan pada

gambar 2.25.

Volt

masukan t

keluaran t

Gambar 2.25. Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali I

28

2.5.4 Pengendali PI

Sistem yang akan dibuat pada penelitian ini adalah sebuah sistem yang

akan mengukur perubahan putaran motor ac dengan sebuah masukan tegangan set

point yang berupa fungsi step, oleh karena itu pengendali D tidak digunakan.

Karena sifatnya yang seperti diferensiator murni inilah yang menyebabkan

pengendali ini tidak digunakan dalam penelitian. Selain itu, pengendali jenis D

tidak dapat digunakan untuk variable yang mengandung ripple. Pemilihan

pengendali P berdasarkan kemampuanya yang cepat dalam merespon perubahan

masukan. Namun sayangnya pengendali P masih selalu meninggalkan sinyal

kesalahan (offset). Untuk menghilangkan sinyal kesalahan tersebut maka

pengendali P akan dipasang bersama dengan pengendali I yang mampu

menghilangkan sinyal kesalahan dari pengendali P.

Pengkombinasian pengendali P dan I sering disebut dengan pengendali PI.

Semua kelebihan dan kekurangan dari pengendali P dan I ada pada pengendali itu

sendiri. Sifat pengendali P yang selalu meninggalkan sinyal kesalahan dapat

ditutupi oleh sifat pengendali I yang mampu menghilangkan sinyal kesalahan

tersebut, sedangkan sifat pengendali I yang lambat dapat ditutupi oleh sifat

pengendali P yang mampu merespon secara cepat. Dari penjelasan-penjelasan

tersebut maka pengendali PI merupakan pilihan tepat pada penelitian ini.

Meskipun pengendali PI masih mempunyai kelemahan yaitu kecepatan responnya

yang lambat, dengan pengendali PI sistem tidak akan mempunyai harga kesalahan

yang besar. Diagram kotak sebuah pengendali PI dapat dilihat pada gambar 2.26.

sedangkan gambar 2.27 adalah hubungan antara masukan pengendali PI dengan

keluarannya.

(a)

Proporsional

Integral

29

Atau dalam kawasan waktu

(b)

Gambar 2.26. (a) Diagram kotak pengendali PI. (b) PI dalam kawasan waktu

Volt

masukan

t

bagian Integral

keluaran bagian Proporsional

t

Gambar 2.27. Gambar hubungan masukan dan keluaran pengendali PI

Secara elektronika dapat dilihat pada gambar 2.28 sebuah kombinasi

pengendali P dan I.

Gambar 2.28. Rangkaian pengendali PI

∫ )(1

teτ

dt

K1

30

Hubungan antara keluaran (Vout_total) dengan masukan (Vin) adalah:

Vout_total = -

+ ∫ dtVin

CRVin

R

Rp.

1.

31

(2.22)

Atau jika Kp = 1R

Rp dan Ki =

CR3

1 maka

Vout_total = KpVin + Ki nVi∫ dt (2.23)

Dari persamaan 2.25 diperlihatkan adanya bagian yang integral dan bagian yang

sebanding. Bagian yang sebanding adalah KpVin sedangkan bagian yang integral

adalah Ki nVi∫ dt.

2.6 Pengkondisi Sinyal

Gambar 2.29 adalah sebuah rangkaian dasar pengkondisi sinyal, yaitu

sebuah penguat penjumlah. Sesuai dengan namanya, penguat penjumlah akan

menjumlahkan masukan Vin1 dan Vin2.

Gambar 2.29. Rangkaian pengkondisi sinyal

Jika R1 = R2 = Rt maka penguatan pada rangkaian dapat dituliskan sebagai berikut

31

Av = tR

R3− (2.24)

Tegangan keluaran dapat dicari dengan jalan sebagai berikut

Vout =

+−

21

3

21

R

Vin

R

VinR (2.25)

Vout = - (Vin1 + Vin2) (2.26)

.

32

BAB III

RANCANGAN PENELITIAN

Pada bab ini akan membahas perancangan dari rangkaian-rangkaian yang

akan digunakan pada pengendali motor ac kalang tertutup. Rangkaian-rangkaian

yang akan dirancang meliputi rangkaian pengendali motor, rangkaian sensor,

rangkaian umpan balik yang berupa pengubah frekuensi ke tegangan, rangkaian

penguat diferensial, rangkaian pengendali PI dan rangkaian pengkondisi sinyal.

Pada bab ini juga akan menyertakan hasil simulasi dari rangkaian-

rangkaian yang akan dirancang.

3.1 Perancangan Penggerak Motor AC

Di dalam sistem penggerak motor ac, terdapat beberapa bagian, setiap

bagian akan melakukan proses sendiri-sendiri sesuai dengan fungsi dalam

pengaplikasian. Dimulai dari zero crossing detector, pembentuk gelombang

segitiga, pembanding, penyulut dan triac.

3.1.1 Zero Crossing Detector

Perancangan zero crossing detector terdiri dari perancangan penyearah

dan perancangan transistor sebagai saklar. perancangan penyearah untuk

memberikan masukan pada kaki basis transistor sebagai saklar, sedangkan

perancangan transistor sebagai saklar digunakan untuk memberikan kondisi ON-

OFF pada rangkaian pembentuk gelombang segitiga.

1. Perancangan Penyearah

Gambar 3.1 adalah sebuah rangkaian penyearah dengan empat

buah dioda. Jika tegangan maksimal keluaran transformator adalah sebesar

12V. maka tegangan maksimal keluaran pada beban sebesar

32

33

Vp = Vm 2

Vp = 12V 2

Vp = 16,9V

Gambar 3.2 adalah hasil keluaran dari rangkian penyearah dengan

tegangan puncak sebesar 16,9V.

Gambar 3.1. Rangkaian penyearah

Gambar 3.2. Bentuk keluaran rangkaian penyearah

2. Perancangan Transistor Sebagai Saklar

Dengan memanfaatkan karakteristik daerah kerja, transistor dapat

diaplikasikan sebagai saklar. Karakteristik daerah kerja tersebut adalah

saat transistor dalam keadaan jenuh (saturation) dan saat transistor dalam

keadaan tersumbat (cut off).

34

Gambar 3.3. Rangkaian transistor sebagai saklar

Dari gambar 3.3 transistor Q1 menggunakan transistor NPN dengan

seri 2N2222. Tegangan Vin sama dengan 1V adalah tegangan yang

dihasilkan dari rangkaian penyearah gelombang penuh. Tegangan di titik

Va adalah tegangan keluaran.

Pada saat transistor jenuh arus yang mengalir pada kaki kolektor

adalah 10mA [data sheet] dan diharapkan saat transistor dalam keadaan

jenuh VCE ≈ 0V, maka nilai Rc, dapat dicari

Rc = )(satC

CC

I

V

Rc = mA

v

10

12

Rc = 1,2kΩ

Jadi nilai hambatan pada kaki kolektor saat transistor jenuh adalah sebesar

1,2kΩ.

Saat β sama dengan 100, arus basis yang diperoleh adalah

IB = β

)(ssatCI

35

IB = 100

10mA

IB = 0,1mA

Dalam perancangan, transistor akan dirancang pada kondisi OFF

(tersumbat) pada saat tegangan masukan basis (VB) sama dengan 1V,

sehingga hambatan basis yang dibutuhkan adalah

RB = B

BEB

I

VV −

RB = mA

vv

1.0

7.01 −

RB = 3kΩ

Nilai hambatan yang digunakan dalam perancangan dalah sebesar 3,3kΩ.

Gambar 3.4 adalah bentuk keluaran dari hasil penyaklaran dengan

transistor 2N2222. Jadi, saat VB lebih kecil sama dengan 1V, transistor

akan tersumbat dan tegangan pada titik Va adalah

Va = VccRcR

R×

+1

1

Va = vKk

k12

2.11

1×

+

Va = 5,45V

Saat VB lebih besar dari 1V maka transitor akan jenuh dan tegangan

di titik Va akan sama dengan 0V.

36

Gambar 3.4. Hasil penyaklaran dengan transistor 2N2222

3.1.2 Perancangan Pembentuk Gelombang Segitiga

Pembentuk gelombang segitiga terdiri dari dua buah rangkaian, yaitu

sumber arus konstan dan rangkaian pembentuk tanjakan positif yang terdiri dari

transistor dan kapasitor.

1. Perancangan Sumber Arus Konstan

Gambar 3.5 adalah sebuah rangkaian sumber arus konstan yang

akan dirancang. Transistor Q2, Q3 dan Q4 menggunakan transistor PNP

dengan seri 2N2904. Dengan Vcc sebesar 12V. Jika arus yang mengalir

pada kaki kolektor adalah 1mA dan nilai β sebesar 100 [data sheet]. Maka

besarnya arus yang mengalir di hambatan Rx adalah

Ix = Ic + 2IB ; IB = IB1 = IB2

Ix = β IB + 2IB

Ix = (β + 2)IB

Ix ≈ β IB

Ix ≈ Ic

Ix = 1mA

37

Karena arus Ix sama dengan arus Ic maka arus I yang mengalir pada kaki

kolektor Q4 juga sama dengan arus Ix. arus Ix inilah yang akan mengisi

kapasitor

Saat nilai Va sama dengan nol yaitu saat transistor Q2 pada kondisi

jenuh arus Ic mengalir melalui hambatan Rx, maka nilai Rx nya sebesar

Rx = X

BEBECC

I

VVV 21 −−

Rx = mA

vvv

1

7.07.012 −−

Rx = 10,6kΩ

Dalam perancangan nilai Rx yang dipakai sebesar 12kΩ ditambah

potensiometer. Perancangan nilai Rx tersebut untuk mengimbangi

pemilihan nilai kapasitor pada rangkaian pembentuk segitiga naik.

Saat transistor Q2 pada kondisi tersumbat tidak ada arus yang

mengalir pada Rx sehingga Ix akan sama dengan nol.

Gambar 3.5. Rangkaian sumber arus konstan

38

2. Perancangan Pembentuk Segitiga Naik

Gambar 3.6 adalah sebuah rangkaian yang dirancang untuk

menghasilkan keluaran segitiga. Diharapkan pada titik Vc terbentuk

sebuah sinyal dengan tanjakan positif seperti pada gambar 3.7.

Saat transistor Q5 pada kondisi tersumbat maka kapasitor akan

terisi. Tegangan maksimal pada titik Vc dirancang sebesar 5V, jika

diasumsikan waktu pengisian kapasitor terjadi selama 8ms untuk mencapai

Vc maksimal seperti yang terlihat pada gambar 3.7, maka nilai kapasitor

yang dibutuhkan adalah

Vc = ∫ IxC

1dt

Vc = tC

Ix×

5v = msC

mA8

1×

C = 1,6µF

Nilai kapasitor yang dipakai pada perancangan adalah sebesar 1µF.

Saat transistor Q5 pada kondisi jenuh maka kapasitor akan

mengalami pelucutan tegangan sampai transistor Q5 kembali tersumbat.

Dengan demikian akan terjadi pengisian dan pelucutan tegangan pada

kapasitor yang diatur oleh transistor Q5. peristiwa ini akan menghasilkan

sebuah bentuk segitiga seperti yang terlihat pada gambar 3.7.

Gambar 3.6. Rangkaian pembentuk segitiga naik

39

Gambar 3.7. Bentuk gelombang segitiga naik

3.1.3 Perancangan Pembalik

Sebuah rangkaian pembalik dirancang untuk membalik tanjakan segitiga

menjadi turun. Gambar 3.8 adalah rangkaian pembalik segitiga naik.

Gambar 3.8. Rangkaian pembalik segitiga naik

Supaya tegangan segitiga naik tidak mengalami perubahan tegangan maka

penguatan di rancang sebesar 1. jadi saat tegangan maksimal di titik Vc sama

dengan 5V, maka tegangan keluaran pembalik adalah

Vout = Vc x -1

2

R

R

Vout = 5V x -k

k

220

220

Vout = -5V

40

Tegangan referensi dirancang untuk mengkondisikan gelombang segitiga

turun (keluaran pembalik) berada pada daerah positif. Gambar 3.9 adalah

gelombang segitiga turun yang merupakan keluaran dari rangkian pembalik.

Gambar 3.9. Bentuk gelombang segitiga turun

3.1.4 Perancangan Pembanding (Comparator)

Sebuah pembanding dirancang untuk membandingkan tegangan yang

masuk melalui kaki tidak membalik (non inverting) dan kaki membalik (inverting)

pada sebuah op-amp. Gambar 3.10 adalah sebuah pembanding dengan LM741.

Tegangan di kaki masukan membalik (Vin) berasal dari keluaran

pembalik, yaitu sebuah sinyal segitiga turun. Sedangkan tegangan pada kaki

masukan tidak membalik (Vref) berasal dari sebuah pengkondisi sinyal.

Gambar 3.10. Rangkaian pembanding

Saat Vin lebih kecil dari Vref tegangan keluaran pembanding akan bernilai

+Vsaturasi. Jika Vin lebih besar dari Vref maka tegangan keluaran pembanding

akan sama dengan tegangan -Vsaturasi . Dengan menggunakan IC LM741, jika

tegangan VCC sebesar +12V dan tegangan VEE sebesar -12V, maka nilai tegangan

saturasinya akan berkisar antara ±10V sampai ±12V [Sutrisno, 1987].

41

Dari keluaran pembanding didapat sebuah gelombang persegi dengan

keadaan rendah dan tinggi seperti yang terlihat pada gambar 3.11.

Gambar 3.11. Bentuk keluaran pembanding

3.1.5 Perancangan Penyulut

Rangkaian penyulut terdiri dari tiga buah rangkaian, yaitu rangkaian RC,

rangkaian dioda pemotong dan rangkaian penguat daya. Rangkaian RC dirancang

untuk menghasilkan deretan pulsa positif dan negatif dari masukan yang

berbentuk persegi atau kotak dari sebuah pembanding. sedangkan rangkaian dioda

pemotong untuk memotong pulsa-pulsa negatif dari rangkaian RC. Rangkian

penguat daya untuk mengembalikan daya yang hilang dari penyearah.

1. Perancangan Rangkaian RC

Perancangan rangkaian RC dapat dilihat pada gambar 3.12a.

Gambar 3.12a. Rangkaian RC

Saat tegangan masuk berubah keadaan dari rendah ke tinggi maka

akan terbentuk pulsa positif sedangkan saat tegangan masuk berubah

keadaan dari tinggi ke rendah maka akan terbentuk pulsa negatif. Gambar

42

3.12b adalah sebuah gelombang masukan pada rangkaian RC dan gambar

3.12c adalah gelombang keluaran dari rangkian RC.

Gambar 3.12b. Bentuk gelombang masukan rangkaian RC

Gambar 3.12c. Bentuk gelombang keluaran rangkaian RC

Dalam perancangan tetapan waktu keluaran pulsa ditentukan

sebesar 1/10 kali tetapan waktu gelombang masukan ½T untuk

membentuk pulsa yang tajam. Jika frekuensi masukan adalah 50Hz, maka

T = f

1

T = Hz50

1

T = 20ms

Jika T = 20ms maka ½T = 10ms. Jadi tetapan waktu keluaran pulsa adalah

43

τ = T2

1

10

1×

τ = ms1010

1×

τ = 1ms

Dengan menentukan nilai hambatan R terlebih dahulu yaitu sebesar 10kΩ,

maka nilai C yang harus terpasang pada rangkaian RC untuk mendapatkan

tetapan waktu keluaran pulsa adalah

τ = RC

C = R

τ

C = Ωk

ms

10

1

C = 0,1µF

Pada perancangan nilai C yang dipakai sebesar 0,1µF.

2. Perancangan Dioda Pemotong

Dengan dasar pengoperasian ON-OFF dioda, maka sebuah dioda

dengan seri 1N4000 dapat digunakan untuk melewatkan tegangan positif

saja. Dalam perancangan, sebuah sinyal masukan yang berupa pulsa positif

dan negatif dari keluaran rangkaian RC akan diubah menjadi sinyal pulsa

positifnya saja. Karena itu digunakan sebuah dioda yang berfungsi sebagai

pemotong gelombang negatif. gambar 3.13a adalah rangkaian dasar

sebuah dioda pemotong. Saat masukan tegangan pulsa positif, maka dioda

akan ON karena mendapat bias maju dan dapat melewatkan tegangan

pulsa positif tersebut. Sedangkan saat masukan tegangan pulsa negatif,

dioda akan OFF karena mendapat bias balik sehingga tegangan pulsa

negatif tidak dapat dilewatkan.

44

Gambar 3.13a. Rangkaian dioda pemotong

Gambar 3.13b adalah sebuah masukan pada rangkaian dioda pemotong

dan gambar 3.13c adalah hasil keluaran dari rangkaian dioda pemotong.

Gambar 3.13b. Bentuk gelombang masukan dioda pemotong

Gambar 3.13c. Bentuk gelombang keluaran dioda pemotong

3. Perancanngan Penguat Daya

Pada perancangan penguat daya seperti pada gambar 3.14,

transformator yang digunakan adalah transformator audio dengan seri

OT240. Transistor yang digunakan adalah transistor dengan seri 2N2222

untuk pensaklaran.

45

Gambar 3.14. Rangkaian penguat daya

3.1.6 Perancangan TRIAC

Gambar 3.15 adalah sebuah aplikasi triac untuk mengendalikan putaran

motor ac. Sumber penyulutan akan dihubungkan pada keluaran dari penguat daya.

Saat keluaran penguat daya membentuk pulsa positif, maka triac akan ON,

sehingga ada arus yang mengalir dari MT1 ke MT2.

Gambar 3.15. Rangkian triac

Nilai R dan C ditentukan dari persamaan 2.12. dv/dt triac BTA16 = 50V/µs

[data sheet], Vs adalah tegangan sumber sebesar 220V dan C ditentukan terlebih

dahulu sebesar 0,47µF, maka nilai R yang harus terpasang dapat ditentukan.

RC

Vs

dt

dv 632,0=

46

FR

vsV

µµ

47,0

220632,0/50

×

×=

R = 5,9Ω

Pada perancangan nilai R yang di pakai adalah sebesar 6,8Ω

3.2 Perancangan Sensor Kecepatan

Gambar 3.16 adalah perancangan rangkian sensor. Tegangan Vcc sebesar

12V, jika diasumsikan arus yang mengalir pada dioda (Id) adalah 10mA, tegangan

dioda (Vd) = 1,25V. Tegangan pada kaki kolektor-emitor (VCE) adalah 0,4V dan

arus yang mengalir di kaki kolektor adalah 5mA. Maka besarnya nilai R1 dan R2

dapat ditentukan.

Gambar 3.16. Rangkaian sensor

Untuk mendapatkan nilai R1, yaitu dengn melihat loop pada dioda

-Vcc + IcR1 + Vd = 0

Id

VdVccR

−=1

mA

vvR

10

25,151

−=

R1 = 375Ω

47

Karena ketersediaan R1 sebesar 375Ω tidak ada di pasaran maka dalam

perancangan nilai R1 yang digantikan dengan nilai sebesar 560Ω.

Untuk mendapatkan nilai R2, yaitu dengan melihat loop pada transistor

dari gambar 3.16.

-Vcc + IcR2 + VCE = 0

Ic

VceVccR

−=2

mA

vvR

5

4.0122

−=

R2 = 2,3kΩ

Dalam perancangan nilai R2 yang digunakan adalah sebesar 2,2kΩ.

Perancangan pemasangan piringan pada pompa air diperlihatkan pada

gambar 3.17. Ada 12 alluminium foil yang terpasang pada piringan. Ini artinya ada

12 kali cacahan dalam satu kali putaran. Sedangkan gambar 3.18 menunjukkan

perancangan sensor saat cahaya dari infra merah mengenai piringan. Saat cahaya

infra merah mengenai alluminium foil diperlihatkan pada gambar 3.19.

Gambar 3.17. Pemasangan piringan pada motor pompa air

48

Gambar 3.18. Kondisi saat cahaya infra merah mengenai piringan

Gambar 3.19. Kondisi saat cahaya merah mengenai alluminium foil

Motor ac yang digunakan dalam penelitian adalah sebuah motor pompa

air. Putaran dari motornya mempunyai perbandingan yang linier terhadap

tegangan masukan. Table 3.1 adalah tabel yang menunjukan kelinieran dari

putaran motor terhadap tegangan masukan. Motor akan mulai berputar pada

tegangan masukan sebesar 20V.

Table 3.1. Hubungan antara tegangan masukan dengan putaran motor

No

Tegangan

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

1 20 195

2 30 1400

3 40 2544

4 50 2786

49

No

Tegangan

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

5 60 2864

6 70 2907

7 80 2914

8 90 2920

9 100 2930

10 110 2940

11 120 2955

12 130 2960

13 140 2965

14 150 2970

15 160 2970

16 170 2970

17 180 2970

18 190 2970

19 200 2970

20 210 2970

21 220 2970

Dari data pada table 3.1 dapat dibuat sebuah grafik yang menyatakan

hubungan antara tegangan masukan dengan putaran motor. Terlihat bahwa

hubungan antara tegangan masukan dengan putaran motor adalah sebanding.

Kesebandingan terjadi saat tegangan 20V sampai tegangan 130V, yaitu perubahan

tegangan masukan yang naik selalu diikuti oleh perubahan putaran motor yang

ikut bertambah. Pada saat tegangan sama dengan 130V sampai tegangan 220V,

motor mempunyai putaran yang tetap.

50

Gambar 3.20. Grafik hubungan tegangan masukan terhadap putaran motor pompa

air

Banyaknya celah pada piringan dalam perancangan dibuat 12 buah celah.

Pada tegangan 220V, kecepatan maksimal motor pompa air adalah 2970rpm.

Maka banyaknya pulsa dalam 1 detiknya untuk 1 celah adalah

= 5,4960

2970=

rpmpulsa/detik.

Untuk 12 buah celah = 49,5 x 12 = 594 pulsa/detik.

Frekuensi maksimal untuk 12 celah adalah 594Hz.

Frekuensi maksimal yang terukur akan menjadi masukan bagi sebuah IC

pengubah frekuensi ke tegangan. Dalam perancangan IC yang digunakan adalah

LM2907.

3.3 Perancangan Pengubah Frekuensi ke Tegangan

Sebuah pengubah frekuensi ke tegangan dengan menggunakan IC LM2907

dapat dilihat pada gambar 3.21. Frekuensi yang masuk melalui pin 1 adalah

frekuensi dari hasil pengukuran putaran motor pompa air dengan menggunakan

sensor. Vcc yang digunakan sebesar 12V dan I2 adalah arus yang mengalir pada

pin 2 IC LM2907 yaitu sebesar 180µF [data sheet].

51

Vout

Fin

2 3 4 5 6 7

9101314

1

81112

47uF10k 30k 1uF

10k

12v

22nF

Gambar 3.21. Rangkaian pengubah frekuensi ke tegangan

Dari gambar 3.21, besarnya nilai C1 dapat dicari dengan jalan

C1 = max

2

fVcc

I

⋅

C1 = Hzv

A

59412

180

×µ

C1 = 0,025µF

Pada perancangan akan digunakan nilai C1 sebesar 22nF. Pada perancangan

batasan maksimal untuk tegangan keluaran LM2907 adalah 5V. Dengan demikian

nilai R1 akan ditentukan dengan persamaan 2.14.

Vout = Vcc x Fin x C1 x R1 x K

5v = 12V x 594Hz x 22nF x R1 x 1

R1 = nFHzV

V

2259412

5

××

R1 = 31,884kΩ

Dalam perancangan R1 yang digunakan sebesar 30kΩ.

52

3.4 Perancangan Penguat Pengurang (Difference Amplifier)

Sebuah penguat pengurang dirancang seperti pada gambar 3.22. Tegangan

di titik V2 adalah masukan yang berasal dari keluran LM2907. Tegangan di titik V1

adalah tegangan set point. Besarnya set point ditentukan pada batasan tegangan

antara 0V sampai dengan 5V.

Gambar 3.22. Rangkaian penguat pengurang

Dalam perancangan penguatan dibuat tetap sebesar 1 yaitu dengan

memberikan nilai hambatan yang sama. Jadi R1 = R2 = R3 = R4 = 10kΩ. Dengan

penguatan yang tetap kini perhitungan tegangan keluaran (error) hanya tinggal

mengurangkan antara tegangan set point dengan tegangan hasil pengukuran dari

putaran motor ac.

Tegangan keluaran (error) yang didapat dari penguat diferensial yaitu

Vout = ( )AvVV 21 −

Vout = ( )4

3

21R

RVV −

Vout = V1 – V2

Saat V1 lebih besar dari V2 diperoleh tegangan keluaran yang bernilai

positif dengan batasan maksimal sebesar Vcc. dan sebaliknya jika V1 lebih kecil

dari V2 diperoleh tegangan keluaran yang bernilai negatif.

53

3.5 Perancangan Pengendali PI (PI Controller)

Gambar 3.23 adalah sebuah pengendali PI dengan op-amp LM741 dengan

masukan pada kaki membalik.

Gambar 3.23. Rangkaian pengendali PI

Dari gambar 3.13, jika nilai konstanta kesebandingan (Kp) dirancang sama

dengan 1 maka Rp1 yang dibutuhkan adalah

Kp = 1

1

R

R p

1 = Ωk

R p

10

1

Rp1 = 10kΩ

Jadi besarnya nilai hambatan Rp1 yang digunakan adalah 10kΩ.

Konstanta integral (Ki) dirancang sebesar 1 sampai dengan 10, dengan

menentukan nilai C terlebih dahulu untuk mendapatkan Ki yang diinginkan maka

besarnya Rp2 dapat diubah-ubah. Nilai C yang ditentukan sebesar 1µF.

Saat Ki sama dengan 1, maka Rp2 adalah

54

Ki = CRp2

1

1 = FR p µ1

1

2 ×

Rp2 = 1MΩ

Saat Ki sama dengan 10, maka Rp2 adalah

Ki = CRp2

1

10 = FRp µ1

1

2 ×

Rp2 = 100kΩ

Jadi nilai Rp2 yang dipakai pada perancangan sebesar 100kΩ sampai dengan 1MΩ.

3.6 Perancangan Pengkondisi Sinyal

Gambar 3.24 adalah sebuah pengkondisi sinyal menggunakan op-amp

LM741. Pengkondisi sinyal dirancang untuk menjumlahkan hasil keluaran

pengendali proporsional dan hasil keluaran pengendali integral. Karena keluaran

dari kedua pengendali negatif, maka agar dihasilkan nilai yang positif pada

keluaran pengkondisi sinyal, keluaran pengendali tersebut masuk ke kaki

membalik op-amp.

55

Gambar 3.24. Rangkaian pengkondisi sinyal

Dalam perancangan ditentukan penguatan sebesar 1. Jika nilai hambatan

R1 = R2 = Rt = 1kΩ maka besarnya nilai hambatan R3 adalah

Av = tR

R3

1 = Ωk

R

1

3

R3 = 1kΩ

56

BAB IV

DATA DAN ANALISA

Pada bab ini akan dianalisa data-data yang telah diperoleh dari

pengamatan alat. Baik analisa secara perhitungan mapun analisa secara teori.

4.1 Zero Crossing Detector

Rangkaian zero crossing detector terdiri dari dua buah rangkaian, yaitu

rangkaian penyearah dan rangkaian transistor sebagai saklar. Berikut akan dibahas

tentang kedua rangkaian tersebut.

4.1.1 Penyearah

Gambar 4.1 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian penyearah. Hasil penyarahan ini bertujuan untuk penyaklaran

dan pembuatan tegangan VCC.

Gambar 4.1. Data keluaran penyearah gelombang penuh

Dari gambar 4.1 diketahui

V1 = batas tegangan atas = 9,3V

V2 = batas tegangan bawah = -5,7V

56

57

Jadi besarnya tegangan terukur dari gambar di atas adalah ∆V, yaitu

∆V = V1 – V2

∆V = 9,3V – (-5,7V)

∆V = 15V

Pada perancangan, tegangan terukur yang dihasilkan dari penyearahan

adalah sebesar 16,9V. Dengan demikian error yang terjadi adalah

Error = %1009,16

159,16×

−

V

VV

Error = 11,2%

Error yang terjadi disebabkan karena hasil dari penyearahan

gelombang sinus akan terpotong, seperti yang terlihat pada gambar 4.1,

puncak gelombang sinus terlihat terpotong. Sehingga nilai tegangan

puncaknya akan berkurang. Namun demikian hasil dari penyearahan

tersebut tidak berpengaruh pada penyaklaran transistor. Karena

penyaklaran transistor terjadi pada batas tegangan bawah dari gambar 4.1

tersebut. Yaitu pada tegangan antara 0V sampai 1V. Begitu pula untuk

pembuatan tegangan VCC masih dapat dibentuk karena pembentukan

tegangan VCC membutuhkan tegangan masukan minimal sebesar 12V

sedang data yang diperoleh sebesar15V.

4.1.2 Transistor Sebagai Saklar

Gambar 4.2 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian transistor sebagai saklar dan gambar 4.3 adalah gabungan antara

penyearah dan transistor sebagai saklar. Terlihat bahwa rangkaian

transistor sebagai saklar dapat berfungsi ketika deberi masukan yang

dihasilkan oleh penyearah gelombang penuh. Pada perancangan ditentukan

58

saat tegangan penyearah lebih besar dari 1V maka transistor ON (jenuh)

dan saat tegangan penyearah kurang dari 1V transistor OFF (tersumbat).

Gambar 4.2 Data keluaran transistor sebagai saklar

Gambar 4.3. Keluaran penyearah dan keluaran transistor

Dari gambar 4.3 diketahui

V1 = batas tegangan atas transistor ON = 1,6V

V2 = batas tegangan bawah transistor ON = 618,4mV

Jadi besarnya tegangan maksismal yang membuat transistor ON di atas

adalah ∆V, yaitu

∆V = V1 – V2

∆V = 1,6V – 0,6184V

∆V = 0,98V

59

Pada perancangan, diharapkan tegangan maksimal yang membuat

transistor ON adalah sama dengan 1V. Dengan demikian error yang terjadi

adalah

Error = %1001

98,01×

−

V

VV

Error = 2%

Adanya error disebabkan karena hasil penyearahan tidak tepat berada pada

batas garis sumbu sama dengan nol. Terlihat sedikit naik dari garis sumbu

nol.

Jadi dari data gambar 4.3, transistor akan ON pada saat tegangan

penyearah lebih kecil dari 0,98V dan transistor akan OFF saat tegangan

penyearah lebih besar dari 0,98V.

4.2 Pembentuk Gelombang Segitiga

Berikut ini akan dibahas tentang pembentukan gelombang segitiga.

4.2.1 Pembentuk Segitiga Naik

Gambar 4.4 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian pembentuk segitiga naik.

Gambar 4.4. Data keluaran segitiga naik

60

Dari gambar 4.3 diketahui

V1 = batas tegangan atas = 5,2V

V2 = batas tegangan bawah = 247,4mV

Jadi besarnya tegangan puncak ke puncak dari gambar di atas adalah ∆V,

yaitu

∆V = V1 – V2

∆V = 5,2V – 0,2474V

∆V = 5,0V

Pada perancangan, segitiga naik di rancang mempunyai batasan tegangan

maksimal sebesar 5V. Dari gambar 4.4, dapat dilihat kemiringannya

dengan cara sebagai berikut

Kemiringan = T

V

∆

∆

Kemiringan = ms

V

10

5

Kemiringan = 0,5V/ms

Jadi setiap kenaikan 1ms akan akan menghasilkan kenaikan tegangan

sebesar 0,5V.

Data dari gambar 4.4 menunjukan bahwa, saat saklar transistor

OFF maka akan terbentuk lereng yang naik. Lalu saat transistor ON,

lereng segitiga akan turun pada titik nol. Segitiga naik akan menjadi

masukan pembanding yang nantinya akan dibandingkan dengan tegangan

set point.

61

4.2.2 Pembalik

Gambar 4.5 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian pembalik.

Rangkaian pembalik akan membalik gelombang segitiga naik menjadi

segitiga turun. Hal ini digunakan agar saat tegangan set point naik maka putaran

motor ikut naik dan sebaliknya, saat tegangan set point kecil maka putaran motor

rendah.

Gambar 4.5. Data keluaran pembalik

Dari data gambar 4.5, didapatkan ∆V dan ∆T yang sama dengan gambar

4.4. Jadi kemiringan yang didapatkan juga sama yaitu 0,5V setiap 1ms

4.3 Pembanding

Gambar 4.6 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian pembanding. Rangkaian pembanding akan membandingkan antara

keluaran pembalik dengan tegangan set point agar terbentuk keluaran gelombang

kotak.

Gambar 4.6 Data keluaran pembanding

62

Saat tegangan keluaran pengkondisi sinyal lebih besar dari tegangan

segitiga turun (keluaran pembalik), maka keluaran pembanding tinggi yaitu

mendekati tegangan VCC. Saat tegangan keluaran pengkondisi sinyal lebih kecil

dari tegangan segitiga turun maka keluaran pembanding rendah yaitu mendekati

tegangan VEE.

4.4 Penyulut

Penyulut terdiri dari dua buah rangkaian yaitu rangkaian RC dan rangkaian

dioda pemotong. Berikut adalah pembahasan kedua rangkaian tersebut.

4.4.1 Rangkaian RC

Gambar 4.7 adalah data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh

rangkaian RC. Saat keluaran dari pembanding melewati rangkaian RC,

maka keluaran pembanding akan menjadi pulsa-pulsa positif dan negatif.

Ketika keluaran pembanding berubah keadaan dari nol ke tinggi (≈ VCC)

atau dari nol ke rendah (≈ VEE), kapasitor akan segera mengisi muatan.

Sesaat setelah itu kapasitor akan segera melucuti muatan sampai keluaran

pembanding kembali ke titik nol.

Gambar 4.7. Data keluaran rangkaian RC

63

4.4.2 Rangkaian Dioda Pemotong

Untuk mendapatkan pulsa positif saja dari keluaran rangkian RC

maka dibutuhkan sebuah rangkaian dioda pemotong. Gambar 4.8 adalah

data gelombang keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian dioda pemotong.

Gambar 4.8 Data keluaran dioda pemotong

Saat dioda pemotong mendapat masukan pulsa positif dari

rangkaian RC, maka dioda akan ON sehingga pulsa positif tersebut dapat

dilewatkan oleh dioda pemotong. Saat dioda pemotong mendapat masukan

pulsa negatif, maka dioda akan OFF sehingga pulsa negatif tersebut tidak

dapat dilewatkan oleh dioda.

4.5 Sensor Kecepatan

Gambar 4.9 adalah perangkat keras pompa air yang digunakan untuk

pengukuran frekuensi. Celah pada piringan ada 12 buah. Jadi setiap detiknya

sensor yang dipasang di depan piringan motor akan mencacah 12 kali. Jika sensor

mengenai badan piringan motor (warna hitam) maka OFF. Sedangkan saat sensor

mengenai alluminium foil (warna putih) maka sensor akan ON.

Gambar 4.10 adalah gambar komponen sensor pada alat yang terdiri dari

LED infra merah dan fototransistor.

64

Gambar 4.9. Pemasangan sensor pada pompa air

Gambar 4.10. Sensor nampak depan

Gambar 4.11 Bentuk keluaran sensor saat mendeteksi putaran pompa air

Dari gambar 4.11, batas atas adalah keluaran sensor saat mengenai

piringan motor. Sedangkan saat sensor mengenai alluminium foil, keluaran sensor

ada pada batas bawah. Agar saat batas bawah tegangan keluaran sensor benar-

65

benar mendekati nol maka dibutuhkan sebuah pembanding. Tabel 4.1 adalah hasil

data pengukuran keluaran sensor dan keluaran pembanding.

Tabel 4.1. Tabel pengamatan keluaran sensor dan keluaran pembanding

Keadaan Keluaran sensor

(Volt)

Keluaran pembanding

(Volt)

Terkena piringan motor 11,40 11,36

Terkena alluminium foill 3,50 1,92

Pada saat infra merah mengenai piringan motor, keluaran fototransistor

akan tinggi yaitu sebesar 11,40V. Keluaran pembanding pun tinggi yaitu 11,36V.

Saat infra merah mengenai alluminium foil keluaran fototransistor akan rendah

yaitu sebesar 3,50V. Keluaran tersebut diperkecil melalui sebuah pembanding agar

semakin mendekati 0V, sehingga menjadi sebesar 1,92V.

Tabel 4.2 adalah data hasil pengamatan keluaran tegangan motor dan

putaran motor terhadap perubahan tegangan masukan penggerak motor. Agar

motor dapat berputar maka dibutuhkan tegangan masukan pada penggerak motor

agar dapat memicu triac. Pada perancangan ditentukan besarnya tegangan

masukan pada penggerak motor adalah antara 0V sampai dengan 5V untuk

mengaktifkan triac. Dari data tabel 4.2, terlihat bahwa motor akan mulai berputar

jika diberi tegangan sebesar 0,6V. Sedangkan motor akan berhenti jika diberi

tegangan masukan pada penggerak motor sebesar 4,9V. Jadi besarnya tegangan

masukan pada penggerak motor agar didapat putaran motor adalah antara 0,6V

sampai dengan 4,8V.

66

Tabel 4.2. Data tegangan motor dan putaran motor terhadap perubahan tegangan

masukan penggerak motor

No Tegangan

Maukan

Penggerak

Motor

(Volt)

Tegangan

motor

(Volt)

Putaran

Motor

(Rpm)

1 0,6 17,2 138

2 0,7 20,2 400

3 0,8 21,2 470

4 0,9 22,4 630

5 1 25 1330

6 1,1 33,7 2530

7 1,2 55 2760

8 1,3 76 2916

9 1,4 86 2926

10 1,5 115 2942

11 1,6 120 2950

12 1,7 128 2960

13 1,8 140 2965

14 1,9 150 2970

15 2 180 2970

16 2,1 190 2970

17 2,2 200 2970

18 2,3 206 2970

19 2,4 210 2970

20 2,6 214 2970

21 2,7 215 2970

22 2,8 216 2970

23 2,9 216 2970

No Tegangan

Masukan

Penggerak

Moto

(Volt)

Tegangan

motor

(Volt)

Putaran

Motor

(Rpm)

24 3 216 2970

25 3,1 216 2970

26 3,3 217 2970

27 3,4 218 2970

28 3,5 219 2970

29 3,6 220 2970

30 3,7 220 2970

31 3,8 220 2970

32 3,9 219 2970

33 4 207 2970

34 4,1 192 2970

35 4,2 192 2970

36 4,3 192 2970

37 4,4 192 2970

38 4,5 192 2970

39 4,6 192 2970

40 4,7 192 2970

41 4,8 192 2970

42 4,9 0 0

43 5 0 0

67

Dari tabel 4.2, dapat digambarkan sebuah grafik hubungan antara keluaran

pengkondisi sinyal dengan kecepatan putaran motor seperti yang terlihat pada

gambar 4.12.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1 2 3 4 5 6

Masukan Penggerak Motor (Volt)

Putaran Motor (Rpm)

Gambar 4.12. Garafik hubungan antara tegangan masukan penggerak motor

dengan kecepatan putaran motor

Dari gambar 4.12, terlihat bahwa kecepetan motor akan ikut bertambah

dengan naiknya tegangan masukan pada penggerak motor dari 0,6V sampai

dengan 1,9V. lebih dari itu perubahan keluaran pengkondisi sinyal tidak

mempengaruhi kecepatan putaran motor. Hal ini disebabkan karena pada saat

tegangan masukan penggerak motor lebih besar sama dengan 1,9V tegangan

motor yang dihasilkan lebih besar sama dengan 150V. Karakteristik motor ac

menunjukan bahwa putaran motor akan akan setabil jika diberi tegangan lebih

besar sama dengan 150V.

4.6 Pengubah Frekuensi ke Tegangan

Table 4.3 adalah data hasil pengamatan keluaran LM2907 terhadap

perubahan frekuensi. Data tersebut diperoleh pada saat sistem belum menjadi

sebuah sistem kalang tertutup. Jadi keluaran LM2907 belum menjadi umpan balik

pada sistem kalang tertutup.

68

Masukan pada LM2907 adalah frekuensi dari putaran motor dikalikan

dengan jumlah celah yang terpasang pada piringan motor. Putaran motor dideteksi

dengan menggunakan tachometer. Agar tachometer dapat mendeteksi putaran

motor maka pada piringan motor diberi 1 celah dari alluminium foil. Jadi 1 celah

ini akan dihitung setiap detiknya pada putaran motor. Sehingga frekuensi motor

dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut

Frekuensi motor = s

rpmPutaran

60

)(

Sedangkan untuk frekuensi masukan LM2907 diperoleh dengan persamaan

Frekuensi masukan LM2907 = Frekuensi motor x jumlah celah

Pada rangkaian pengubah frekuensi ke tegangan, kapasitor C1 yang

digunakan sebesar 22nF, hambatan R1 yang digunakan sebesar 30kΩ dan

tegangan catu sebesar 12V. Dengan nilai-nilai komponen tersebut diharapkan

mampu menghasilkan tegangan keluaran sebesar 5V pada frekuensi masukan

maksimal. Dari tabel 4.3, saat frekuensi masukan maksimal didapatkan tegangan

keluaran sebesar 4,95V.

Secara perhitungan tegangan keluaran LM2907 dapat dicari dengan

persamaan 2.15 yaitu

Vout = Vcc x fin x C1 x R1

Untuk menghitung error yang terjadi pada tabel 4.3, adalah sebagai

berikut

Error = %100)2907(

)2907(×

−

LMKeluaran

nPerhitungaLMKeluaran

69

Sebagai contoh misalnya data pada keluaran LM2907 yang dihasilkan

sama dengan 0,19V dan hasil perhitungan keluaran LM2907 sama dengan 0,17V,

maka error yang terjadi adalah

Error = %10019,0

17,019,0×

−

C

VV

Error = 10,53%

Rata-rata error yang terjadi dari tabel 4.3 adalah 12,01%. Error yang

terjadi relatif besar karena adanya pembulatan nilai hambatan yang dipakai

sehingga mempengaruhi nilai perhitungan.

Table 4.3. Data keluaran LM2907 terhadap kenaikan frekuensi

No Putaran

Motor

(Rpm)

Frekuensi

ik

pulsa

det

Keluaran

LM2907

(Volt)

Perhitungan

(Volt)

Error

(%)

1 109,2 21,84 0,19 0,17 10,53

2 191,3 38,26 0,35 0,32 8,57

3 291,5 58,30 0,54 0,48 11,11

4 415,2 83,04 0,73 0,63 13,70

5 499,3 99,86 0,83 0,79 10,23

6 605,5 121,10 1,06 0,95 10,38

7 700,1 140,02 1,25 1,11 11,20

8 808,1 161,62 1,47 1,27 13,61

9 897,7 179,54 1,63 1,43 12,27

10 1010,7 202,14 1,80 1,58 12,22

11 1098,9 219,78 2,03 1,74 14,29

12 1206,5 241,30 2,16 1,90 12,04

13 1307,6 261,52 2,39 2,06 13,81

14 1400,4 280,08 2,44 2,22 9,02

70

No Putaran

Motor

(Rpm)

Frekuensi

ik

pulsa

det

Keluaran

LM2907

(Volt)

Perhitungan

(Volt)

Error

(%)

15 1499,9 299,98 2,73 2,38 12,82

16 1604,7 320,94 3,02 2,53 16,23

17 1705,0 341,00 3,22 2,69 16,46

18 1806,8 361,36 3,39 2,85 15,93

19 1900,9 380,18 3,45 3,01 12,75

20 2000,7 400,14 3,52 3,17 9,94

21 2098,7 419,74 3,63 3,33 8,26

22 2208,4 441,68 4,08 3,48 14,71

23 2298,8 459,76 4,34 3,64 16,13

24 2405,5 481,10 4,46 3,80 14,80

25 2499,0 499,80 4,63 3,96 14,47

26 2595,4 519,08 4,66 4,12 11,59

27 2701,4 540,28 4,80 4,28 10,83

28 2804,8 560,96 4,87 4,44 8,83

29 2899,8 579,96 4,96 4,57 7,86

30 2972,6 594,52 4,96 4,67 5,85

Gambar 4.13 adalah grafik hubungan antara perubahan frekuensi dengan

keluaran LM2907 dari data pengamatan tabel 4.3.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

5,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650

Frekuensi masukan LM2907 (pulsa/detik)

Keluaran LM2907 (Volt)

Gambar 4.13. Grafik hubungan frekuensi dengan keluaran LM2907

71

Dari gambar 4.13, terlihat bahwa setiap kenaikan frekuensi diikuti dengan

kenaikan tagangan keluaran LM2907. Namun hubungan kenaikan tidak

menunjukan grafik yang linear yang seharusnya linear. Hal ini dipengaruhi karena

putaran motor yang tidak setabil saat berputar. Untuk melihat kelinearan dari

grafik tersebut, maka digunakan model regresi linear sederhana.

Data frekuensi masukan LM2907 menempati sumbu x sehingga dalam

pembahasan ini digunakan variabel x. Sedangkan untuk keluaran LM2907

menempati sumbu y sehingga digunakan variabel y. Jadi, x = frekuensi masukan

LM2907 dan y = keluaran LM2907.

Perkiraan yang cocok untuk model regresi linear sederhana dapat

dituliskan dengan persamaan

y = a + bx

Besarnya nilai b dapat dicari dengan persamaan berikut

b =

n

x

x

n

yx

yx

i

i

i

i

i

i

i

i

i

ii

2

2

−

−

∑∑

∑∑∑

dan

a = y - b x

nilai rata-rata x dan y adalah

x = n

xi i∑

dan y = n

yi i∑

Dari tabel 4.3 diketahui bahwa

72

n = 30; 88,9306∑ =i ix ; 4,83=∑i iy ; x = 310,23; y =2,78

35,37824872 =∑i ix ; 77,33839=∑i ii yx

Dengan memasukan nilai-nilai tersebut maka diperoleh

b = 0.009

a = -0,01

jadi garis regresi linear sederhana adalah

y = -0,01 + 0,009x

Dari persamaan regresi tersebut, maka dapat dilihat perbedaan antara

grafik data yang diperoleh dengan grafik hasil regresi pada gambar 4.14.

R2 = 0,9934

R2 = 1

0

1

2

3

4

5

6

0 100 200 300 400 500 600 700

Frekuensi Masukan LM2907 (pulsa/detik)

Keluaran LM2907 (Volt)

Gambar 4.14. Grafik hasil data dengan hasil regresi pengubah frekuensi ke

tegangan

Dari gambar 4.14, garis yang terputus-putus adalah grafik hasil data tabel

4.3, sedangkan grafik dengan garis lurus adalah grafik hasil regresi. Dengan

menggunakan program microsoft office exel, nilai koefisien korelasi (R2) untuk

garis putus-putus dapat langsung diketahui. Dari gambar 4.14, nilai koefisien

73

korelasinya adalah 0,9934. Nilai koefisien ini akan bernilai 1 jika garis yang

terbentuk adalah linear. Garis yang terbentuk dari data penelitian (garis putus-

putus) masih mempunyai sedikit error karena koefisien korelasi yang didapat

belum sama dengan 1. Hanya selisih 0,0066 dengan koefisien korelasi sebuah

garis yang linear.

Dari gambar tersebut, dapat diperoleh nilai sisaannya atau yang sering

disebut dengan residual (R) dengan cara mengurangkan hasil data (y) dengan hasil

regresi ( y ) di setiap titiknya. Atau dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut

Residual = y - y

Tabel 4.4 adalah tabel residual antara hasil data dengan hasil regresi dari

gambar 4.14. Jika residual negatif itu menandakan bahwa hasil data terletak di

bawah hasil regresi, sedangkan jika residual positif, itu menandakan bahwa hasil

data terletak di atas hasil regrasi.

Tabel 4.4. Residual antara hasil data dengan hasil regresi

pengubah frekuensi ke tegangan

No

Hasil

Data

(Volt)

Hasil

Regresi

(Volt)

Residual

(Volt)

1 0 0,19 -0,19

2 0,35 0,33 0,02

3 0,54 0,51 0,03

4 0,73 0,74 -0,01

5 0,83 0,89 -0,06

6 1,06 1,08 -0,02

7 1,25 1,25 0

8 1,47 1,44 0,03

9 1,63 1,61 0,02

74

No

Hasil

Data

(Volt)

Hasil

Regresi

(Volt)

Residual

(Volt)

10 1,8 1,79 0,01

11 2,03 1,97 0,06

12 2,16 2,16 0

13 2,39 2,34 0,05

14 2,44 2,51 -0,07

15 2,73 2,69 0,06

16 3,02 2,88 0,14

17 3,22 3,06 0,16

18 3,39 3,24 0,15

19 3,45 3,41 0,04

20 3,52 3,59 -0,07

21 3,63 3,77 -0,14

22 4,08 3,97 0,11

23 4,34 4,13 0,21

24 4,46 4,32 0,14

25 4,63 4,49 0,14

26 4,66 4,66 0

27 4,8 4,85 -0,05

28 4,87 5,04 -0,17

29 4,96 5,21 -0,25

30 4,96 5,34 -0,38

Dari tabel 4.4, nilai rata-rata residual yang didapat adalah sama dengan

0,0927. Residual yang diperoleh relatif kecil. Dengan demikian data yang

diperoleh sebenarnya sudah cukup baik untuk dikatakan linear, namun masih ada

sedikit error yang masih mempengaruhi kelinearitasan dari data tersebut.

75

4.7 Sistem Kalang Tertutup

Sistem kalang tertutup adalah sistem yang akan mengumpan balikan

keluaran rangkian pengubah frekuensi ke tegangan ke sebuah penguat diferensial.

Umpan balik tersebut akan menjadi sebuah koreksi bagi sistem itu sendiri dan

kemudian hasil koreksi akan menjadi sinyal penggerak bagi motor ac.

Pada sistem kalang tertutup nilai konstanta proporsional (Kp) dan nilai

konstanta integral (Ki) ditentukan pada dua kondisi, yaitu saat Kp sama dengan 1

dan Ki sama dengan 1,serta saat Kp sama dengan 1 dan Ki sama dengan 10.

Tabel 4.5 adalah data pengamatan kecepatan putaran motor terhadap

perubahan tegangan set point pada saat kondisi Kp sama dengan 1 dan Ki

ditentukan sama dengan 1.

Tabel 4.5. Data kecepatan motor saat Kp = 1 dan Ki = 1

No Set Point

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

1 1,4 327,5

2 1,6 377,1

3 1,8 459,9

4 2 592,1

5 2,2 691,9

6 2,4 766,8

7 2,6 880,4

8 2,8 976,7

9 3 1051,6

10 3,2 1122,8

11 3,4 1245,2

12 3,6 1378,4

13 3,8 1453,7

14 4 1552,7

15 4,2 1648,6

76

No Set Point

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

16 4,4 1733,5

17 4,6 1809,9

18 4,8 1893,4

Dari tabel 4.5, semakin besar nilai tegangan set point maka putaran motor

akan semakin cepat. Kecepatan putaran motor yang dihasilkan mulai dari 327,5V

sampai dengan 1893,4V.

Gambar 4.15 adalah grafik data yang diperoleh dari tabel 4.5. Jangkauan

maksimal tegangan set point untuk mengatur kecepatan putaran motor sangat

besar yaitu sampai dengan 4,8V.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 1 2 3 4 5 6

Set Point (Volt)

Putaran Motor (Rpm)

Gambar 4.15. Grafik hubungan tegangan set point dengan putaran motor

saat Kp = 1 Ki = 1

Dari gambar 4.15 tersebut terlihat bahwa kenaikan tegangan set point

selalu diikuti oleh kenaikan putaran motor. Namun grafik yang didapat belum

menandakan kelinearitasan. Hal ini dikarenakan motor yang dipakai kurang

setabil dalam menghasilkan putaran, terutama saat kecepatan putaran motor

rendah. Untuk melihat kelinearan grafik tersebut maka digunakan model regresi

linear sederhana. Nilai tegangan set point menempati sumbu x dan putaran motor

77

menempati sumbu y, jadi diasumsikan x = tegangan set point dan y = putaran

motor.

Dari tabel 4.5, diketahui

n = 18; 8,55∑ =i ix ; 2,19962=∑i iy ; x = 3,1; y = 1109,01

36,1922 =∑i ix ; 1,71104=∑i ii yx

Dari nilai-nilai yang telah diketahui tersebut, maka nilai a dan b diperoleh

b = 475,81

a = -366

Jadi grafik linear dari hasil regresi dapat dicari dengan persamaan berikut

y = -366 + 475,81x

Dari persamaan regresi tersebut, maka dapat dilihat perbedaan antara

grafik hasil data yang diperoleh dengan grafik hasil regresi pada gambar 4.16.

R2 = 0,9986R2 = 1

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4 5 6

Set Point (Volt)

Putaran Motor (Rpm)

Gambar 4.16. Grafik hasil data dan hasil regresi saat Kp = 1 dan Ki = 1

78

Dari gambar 4.16, garis yang terputus-putus adalah grafik hasil data tabel

4.5, sedangkan grafik dengan garis lurus adalah grafik hasil regresi. Dengan

menggunakan program microsoft office exel, nilai koefisien korelasi (R2) untuk

garis putus-putus dapat langsung diketahui. Dari gambar 4.16, nilai koefisien

korelasinya 0,9986. Nilai koefisien korelasi ini akan bernilai 1 jika garis yang

terbentuk adalah linear. Dengan demikian, garis yang terbentuk dari data

penelitian (garis putus-putus) masih mempunyai sedikit error karena koefisien

korelasi yang didapat belum sama dengan 1. hanya selisih 0,0014 dengan

koefisien korelasi sebuah garis yang linear.

Tabel 4.6 adalah tabel residual antara hasil data dengan hasil regresi dari

gambar 4.16. Jika residual negatif, itu menandakan bahwa hasil data terletak di

bawah hasil regresi, sedangkan jika residual positif, itu menandakan bahwa hasil

data terletak di atas hasil regresi.

Tabel 4.6. Residual antara hasil data dengan hasil regresi saat Kp = 1 dan Ki = 1

No

Putaran

Motor

(Rpm)

Regresi

(Rpm)

Residual

(Rpm)

1 327,5 300,13 27,37

2 377,1 395,3 -18,2

3 459,9 490,46 -30,56

4 592,1 585,62 6,48

5 691,9 680,78 11,12

6 766,8 775,94 -9,14

7 880,4 871,11 9,29

8 976,7 966,27 10,43

9 1051,6 1061,43 -9,83

10 1122,8 1156,6 -33,8

11 1245,2 1251,75 -6,55

12 1378,4 1346,92 31,48

79

No

Putaran

Motor

(Rpm)

Regresi

(Rpm)

Residual

(Rpm)

13 1453,7 1442,08 11,62

14 1552,7 1537,24 15,46

15 1648,6 1632,4 16,2

16 1733,5 1727,56 5,94

17 1809,9 1822,73 -12,83

18 1893,4 1917,89 -24,49

Dari tabel 4.6, nilai rata-rata residual yang didapat adalah sama dengan

16,155. Karena data yang diperoleh mempunyai nilai ribuan maka residual yang

diperoleh tersebut dapat dikatakan relatif kecil. Dengan demikian data yang

diperoleh sebenarnya sudah cukup baik untuk dikatakan linear, namun masih ada

sedikit error yang masih mempengaruhi kelinearitasan dari data tersebut.

Gambar 4.17 adalah tanggapan sistem antara tegangan set point dengan

keluaran LM2907 Sedangkan gambar 4.18 adalah tanggapan sistem antara

tegangan set point dengan keluaran pengkondisi sinyal.

Gambar 4.17 Tanggapan sistem antara set point dengan keluaran LM2907

saat Kp =1 dan Ki = 1

80

Gambar 4.18 Tanggapan sistem antara set point dengan pengkondisi sinyal saat

Kp = 1 dan Ki = 1

Dari gambar 4.17 dan gambar 4.18, Terlihat bahwa saat kondisi Kp dan Ki

sama dengan 1, waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai keadaan mantap

sangat kecil.

Tabel 4.7 adalah data pengamatan kecepatan putaran motor terhadap

perubahan tegangan set point pada saat kondisi Kp ditentukan sama dengan 1 dan

Ki ditentukan sama dengan 10.

Tabel 4.7. Data kecepatan putaran motor saat Ki = 1 dan Kp = 10

No Set Point

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

1 0,8 257,7

2 0,9 284,6

3 1 361,2

4 1,1 411,2

5 1,2 464,2

6 1,3 512,4

7 1,4 553,8

8 1,5 609,4

9 1,6 667,8

10 1,7 706,4

11 1,8 756,8

81

No Set Point

(Volt)

Putaran Motor

(Rpm)

12 1,9 814,8

13 2 852,7

14 2,1 900,8

15 2,2 958,1

16 2,3 999,3

17 2,4 1051,5

Dari tabel 4.7, putaran motor yang dapat dihasilkan oleh sebuah sistem

kalang tertutup dengan kondisi Ki sama dengan 1 dan Kp sama dengan 10 adalah

257,7Rpm sampai dengan 1051,5Rpm.

Gambar 4.19 adalah grafik data yang diperoleh pada tabel 4.7. Terlihat

bahwa setiap kenaikan tegangan set point diikuti dengan kenaikan putaran motor.

Namun hubungan antara keduanya belum linier, karena belum membentuk garis

lurus. Hal ini dipengaruhi oleh motor yang dipakai. Karena putaran motor yang

dihasilkan tidak setabil. Untuk melihat kelinearitasan pada grafik tersebut maka

digunakan model regresi linear sederhana.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Set Point (Volt)

Putaran Motor (Rpm)

Gambar 4.19. Grafik hubungan tegangan set point dengan putaran motor

saat Ki =1 dan Kp = 10

82

Dari gambar 4.19. nilai tegangan set point menempati sumbu x dan putaran

motor menempati sumbu y, jadi diasumsikan x = tegangan set point dan y =

putaran motor.

Dari tabel 4.7, diketahui

n = 17; 2,27∑ =i ix ; 7,11158=∑i iy ; x = 1,6; y = 656,39

6,472 =∑i ix ; 41,19887=∑i ii yx

Dari nilai-nilai yang telah diketahui tersebut, maka nilai a dan b diperoleh

b = 498,4

a = -141,05

Jadi grafik linear dari hasil regresi dapat dicari dengan persamaan berikut

y = -141,05 + 498,4x

Dari persamaan regresi tersebut, maka dapat dilihat perbedaan antara

grafik data yang diperoleh dengan grafik hasil regresi pada gambar 4.20.

R2 = 0,9991

R2 = 1

0

200

400

600

800

1000

1200

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Set point (Volt)

Putaran M

otor (Rpm)

Gambar 4.20. Grafik hasil data dan hasil regresi Ki = 1 dan Kp = 10

83

Dari gambar 4.20, garis yang terputus-putus adalah grafik hasil data tabel

4.7, sedangkan grafik dengan garis lurus adalah grafik hasil regresi. Dengan

menggunakan program microsoft office exel, nilai koefisien korelasi (R2) untuk

garis putus-putus dapat langsung diketahui. Dari gambar 4.20, nilai koefisien

korelasinya 0,9991. Nilai koefisien korelasi ini akan bernilai 1 jika garis yang

terbentuk adalah linear. Dengan demikian, garis yang terbentuk dari data

penelitian (garis putus-putus) masih mempunyai sedikit error karena koefisien

korelasi yang didapat belum sama dengan 1. hanya selisih 0,0001 dengan

koefisien korelasi sebuah garis yang linear.

Tabel 4.8 adalah tabel residual antara hasil data dengan hasil regresi dari

gambar 4.20. Jika residual negatif, itu menandakan bahwa hasil data terletak di

bawah hasil regresi, sedangkan jika residual positif, itu menandakan bahwa hasil

data terletak di atas hasil regrasi.

Tabel 4.8. Residual antara hasil data dengan hasil regresi Ki = 1 dan Kp = 10

No

Putaran

(Rpm)

Regresi

(Rpm)

Residual

(Rpm)

1 257,7 257,67 0,03

2 284,6 307,51 -22,91

3 361,2 357,35 3,85

4 411,2 407,19 4,01

5 464,2 457,03 7,17

6 512,4 506,87 5,53

7 553,8 556,71 -2,91

8 609,4 606,55 2,85

9 667,8 656,39 11,41

10 706,4 706,23 0,17

11 756,8 756,07 0,73

12 810,8 805,91 4,89

13 852,7 855,75 -3,05

84

No

Putaran

(Rpm)

Regresi

(Rpm)

Residual

(Rpm)

14 900,8 905,59 -4,79

15 958,1 955,43 2,67

16 999,3 1005,27 -5,97

17 1051,5 1055,11 -3,61

Dari tabel 4.8, nilai rata-rata residual yang didapat adalah sama dengan

5,092. Karena data yang diperoleh mempunyai nilai ribuan maka residual yang

diperoleh tersebut dapat dikatakan relatif kecil. Dengan demikian data yang

diperoleh sebenarnya sudah cukup baik untuk dikatakan linear, namun masih ada

sedikit error yang masih mempengaruhi kelinearitasan dari data tersebut.

Gambar 4.21 adalah bentuk tanggapan sistem antara keluaran LM2907

dengan tegangan set point. Sedangkan Gambar 4.22 adalah bentuk tanggapan

sistem antara keluaran pengkondisi sinyal dengan tegangan set point.

Gambar 4.21. Tanggapan sistem antara set point dengan keluaran LM2907

saat Kp = 1 dan Ki = 10

Gambar 4.22. Tanggapan sistem antara set point dengan pengkondisi sinyal

85

saat Kp = 1 dan Ki = 10

Dari gambar 4.21 dan gambar 4.22, terlihat bahwa waktu yang dibutuhkan

sistem untuk mencapai keadaan mantap lebih lama dibandingkan dengan kondisi

Kp dan Ki sama dengan 1. Hal ini terjadi karena pengaruh pemakaian nilai Ki

yang lebih besar. Dengan masukan berupa fungsi step maka sistem selalu

mengalami over shoot.

Dengan adanya pengendali PI sistem akan mampu mempertahankan

kecepatan motor pada batas tertentu atau pada batas yang diinginkan. Dengan

demikian tegangan umpan balik yang dihasilkan oleh LM2907 tidak lagi

mengurangi tegangan set point jika batas yang diinginkan telah tercapai. Sebagai

contoh misalnya, saat tegangan awal set point sama dengan 2V akan menghasilkan

putaran motor sebesar 2970Rpm, lalu putaran motor akan menjadi umpan balik

sistem melalui IC LM2907. Sehingga akan mengurangi nilai awal tegangan set

point. Hasil dari proses pengurangan tersebut berlangsung terus dan akan menjadi

masukan bagi pengendali PI sampai suatu saat pengendali PI mencapai kondisi

mantap. Ketika pengendali PI mencapai kondisi mantap maka proses pengurangan

tadi akan berhenti dan akan dipertahankan pada posisi akhir yang telah dicapai.

Misalnya kondisi mantap tersebut akan menghasilkan putaran motor 850Rpm.

Dengan demikian putaran motor sebesar 850Rpm inilah yang akan dipertahankan

oleh pengendali PI pada sistem.

Dari pembahasan sistem kalang tertutup diatas, pengaruh pengendali PI

pada saat kondisi Kp dan Ki sama dengan 1 akan menghasilkan jangkauan

maksimal tegangan set point yang lebih besar dibandingkan dengan kondisi saat

Kp sama dengan 1 dan Ki sama dengan 10. Pada penelitian, diharapkan tegangan

set point mampu bekerja pada jangkauan antara 0V sampai dengan 5V untuk

menghasilkan tegangan dan diharapkan juga sistem mampu merespon perubahan

tegangan set point untuk mencapai keadaan mantap dengan cepat. Dengan

demikian, kondisi saat Kp dan Ki sama dengan 1 akan menjadi pilihan pada

penelitian ini.

Nilai koefisien korelasi rata-rata yang diperoleh dari gambar 4.14, 4.16,

dan gambar 4.20 adalah sebesar 0,997.

86

BAB V

KESIMPULAN

5.1 Kesimpulan

1. Kenaikan kecepatan putaran motor diikuti dengan kenaikan

tegangan set point. Dan hubungan kenaikan tersebut mempunyai

hubungan yang linear dengan nilai koefisien korelasi (R2) sama

dengan 0,997.

2. Penggunaan konstanta integral yang semakin besar akan

menyebabkan beberapa hal yaitu:

- Jangkauan maksimal tegangan set point semakin kecil.

- Kecepatan putaran motor maksimal yang dapat dicapai

lebih lambat.

- Waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai keadaan

mantap semakin lama.

5.2 Saran

1. Dengan masukan berupa mungsi step, tanggapan sistem akan

selalu menghasilkan over shoot. Pengaruh over shoot akan sangat

mempengaruhi laju awal putaran motor pada saat posisi awal

sensor mengenai piringan motor. Agar didapatkan laju putaran

motor yang baik maka posisi awal sensor harus mengenai bagian

alluminium foil.

2. Alat pengendali motor ac kalang tertutup dapat dikembangkan

bukan hanya untuk pembebanan dengan pompa air.

87

DAFTAR PUSTAKA

1. Pakpahan S, Ir., “Kontrol Otomatik, Teori dan Penerapan”, Penerbit

Erlangga, 1987.

2. Barmawi M. dan Tjia M.O., ELEKTRONIKA TERPADU, “Rangkaian dan

sistem analog dan digital”, jilid 2, Penerbit Erlangga, 1985.

3. Sutrisno., ELEKTRONIKA, “Teori dasar dan penerapannya”, jilid 2, Penerbit

ITB Bandung, 1987.

4. Rashid H.M., ”Elektronika Daya, Rangkaian, Divais, dan Aplikasinya”,

Jilid 1, Penerbit PT Prehallindo, Jakarta, 1999.

5. Boylestad R dan Nashelsky L., “Electronic Devices And Circuit Theory”,

Edisi VII, Prentice Hall, New Jersey, Columbus, Ohio

6. Gunterus Frans., “Falsafah Dasar : Sistem Pengendalian Proses”, Penerbit

PT Elex Media Komputindo, Jakarta, 1994.

7. http\\www.datasheetcatalog.com.

L1

LAMPIRAN

A

Q1R1

3.3k

R2 1.2k

V1

Q5

R4

1k

Q4Q3

R512k

C1

1uQ2

C2

0.1u R6

10k

0T240

D1 D2

D3 D4

12V

R3

1k

LM741

Q6

R12

1k

D5

R14

1k

D6

X2Vref

R19

22k

R20

220k

R21

220k

TRIAC

220V

R13

C3

pot

1N4002

VEE

A

VCC

VEE

0.47u

5.6ohm

BTA16

MOTOR AC

MT2

MT1

PENGGERAK MOTOR ACGREGORIUS ELING PURBA

UNIVERSITAS SANATA DHARMAJOGJAKARTA

2007

R1

560 ohm

R22.2k

12v

LM741

Vref

C147u

R3

10k

R4

30k

R5

10kC2

22n

C3

1u

R6

10k

R7

10k

R8

10kR9 10k

LM741

Set Point

LM741

LM741

C

1uF

Rpot2

R13

100k

LM741

R11

1k

R12

1k

R14

1k

Rpot1

R10

10k

LM2907

A

14 13 12 11 10 9 8

7654321

Photo TransistorInfra Red

12V

-12V

12V

12V1

-12V1

12V

-12V

12V

-12V

FEED BACK dan PENGENDALI PIGREGORIUS ELING PURBA

UNIVERSITAS SANATA DHARMAJOGJAKARTA

2007

L2

LAMPIRAN

B

Saat Kondisi Kp = 1 dan Ki = 1

Selisih tegangan antara tegangan set

point dengan keluaran LM2907

No Set

Point

(Volt)

Keluaran

LM2907

(Volt)

Selisih

(Volt)

1 1,4 0,43 0,97

2 1,6 0,57 1,03

3 1,8 0,7 1,1

4 2 0,9 1,1

5 2,2 1,1 1,1

6 2,4 1,3 1,1

7 2,6 1,5 1,1

8 2,8 1,7 1,1

9 3 1,9 1,1

10 3,2 2,1 1,1

11 3,4 2,3 1,1

12 3,6 2,5 1,1

13 3,8 2,7 1,1

14 4 2,9 1,1

15 4,2 3,1 1,1

16 4,4 3,3 1,1

17 4,6 3,5 1,1

18 4,8 3,7 1,1

Selisih tegangan antara tegangan set

point dengan keluaran pengkondisi

sinyal

No Set

Point

(Volt)

Keluaran

Pengkondisi

Sinyal

(Volt)

Selisih

(Volt)

1 1,4 0,8 0,6

2 1,6 1 0,7

3 1,8 1 0,8

4 2 1 1,1

5 2,2 1 1,3

6 2,4 1 1,5

7 2,6 1 1,7

8 2,8 1 1,9

9 3 1 2,1

10 3,2 1 2,3

11 3,4 1 2,5

12 3,6 1 2,7

13 3,8 1 2,9

14 4 1 3,1

15 4,2 1 3,3

16 4,4 1 3,5

17 4,6 1 3,7

18 4,8 1 3,9

Saat Kondisi Kp = 1 dan Ki = 10

Selisih tegangan antara tegangan set

point dengan keluaran LM2907

No Set

Point

(Volt)

Keluaran

LM2907

(Volt)

Selisih

(Volt)

1 0,8 0,4 0,4

2 0,9 0,46 0,44

3 1 0,49 0,51

4 1,2 0,68 0,52

5 1,3 0,7 0,6

6 1,4 0,8 0,6

7 1,5 0,9 0,6

8 1,6 1 0,6

9 1,7 1,1 0,6

10 1,8 1,2 0,6

11 1,9 1,3 0,6

12 2 1,4 0,6

13 2,1 1,5 0,6

14 2,2 1,6 0,6

15 2,3 1,7 0,6

16 2,4 1,8 0,6

Selisih tegangan antara tegangan set

point dengan keluaran pengkondisi

sinyal

No Set

Point

(Volt)

Keluaran

Pengkondisi

Sinyal

(Volt)

Selisih

(Volt)

1 0,8 0,868 0,068

2 0,9 0,9 0

3 1 0,87 0,13

4 1,2 0,9 0,3

5 1,3 0,9 0,4

6 1,4 0,9 0,5

7 1,5 1 0,5

8 1,6 1 0,6

9 1,7 1 0,7

10 1,8 1 0,8

11 1,9 1 0,9

12 2 1 1

13 2,1 1,1 1

14 2,2 1,1 1,1

15 2,3 1,1 1,2

16 2,4 1,1 1,3

L3

LAMPIRAN

C

1/7

® BTA/BTB16 and T16 Series

SNUBBERLESS™ , LOGIC LEVEL & STANDARD 16A TRIACS

April 2002 - Ed: 5A

MAIN FEATURES:

DESCRIPTIONAvailable either in through-hole or surface-mountpackages, the BTA/BTB16 and T16 triac series issuitable for general purpose AC switching. Theycan be used as an ON/OFF function in applicationssuch as static relays, heating regulation, inductionmotor starting circuits... or for phase controloperation in light dimmers, motor speedcontrollers, ...The snubberless versions (BTA/BTB...W and T16series) are specially recommended for use oninductive loads, thanks to their high commutationperformances. By using an internal ceramic pad,the BTA series provides voltage insulated tab(rated at 2500V RMS) complying with ULstandards (File ref.: E81734).

Symbol Value Unit

IT(RMS) 16 A

VDRM/VRRM 600 and 800 V

IGT (Q1) 10 to 50 mA

ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS

Symbol Parameter Value Unit

IT(RMS) RMS on-state current(full sine wave)

D2²PAKTc = 100°C

16

A

TO-220AB

TO-220AB Ins. Tc = 85°C

ITSM Non repetitive surge peak on-state current (full cycle, Tj initial = 25°C)

F = 60 Hz t = 16.7 ms 168 A

F = 50 Hz t = 20 ms 160

I²t I²t Value for fusing tp = 10 ms 144 A²s

dI/dtCritical rate of rise of on-state current IG = 2 x IGT , tr ≤ 100 ns F = 120 Hz Tj = 125°C 50 A/µs

VDSM/VRSMNon repetitive surge peak off-state voltage tp = 10 ms Tj = 25°C

VDRM/VRRM+ 100

V

IGM Peak gate current tp = 20 µs Tj = 125°C 4 A

PG(AV) Average gate power dissipation Tj = 125°C 1 W

TstgTj

Storage junction temperature rangeOperating junction temperature range

- 40 to + 150- 40 to + 125

°C

G

A2

A1

GA2

A1G

A2

A2A1

TO-220AB(BTB16)

TO-220AB Insulated(BTA16)

D2PAK(T16-G)

A2

A2

G

A1

BTA/BTB16 and T16 Series

2/7

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Tj = 25°C, unless otherwise specified)

n SNUBBERLESS™ and LOGIC LEVEL (3 Quadrants)

n STANDARD (4 Quadrants)

STATIC CHARACTERISTICS

Note 1: minimum IGT is guaranted at 5% of IGT max.

Note 2: for both polarities of A2 referenced to A1

Symbol Test Conditions Quadrant T16 BTA/BTB16Unit

T1635 SW CW BW

IGT (1)VD = 12 V RL = 33 Ω

I - II - III MAX. 35 10 35 50 mA

VGT I - II - III MAX. 1.3 V

VGD VD = VDRM RL = 3.3 kΩ Tj = 125°C I - II - III MIN. 0.2 V

IH (2) IT = 500 mA MAX. 35 15 35 50 mA

IL IG = 1.2 IGT I - III MAX. 50 25 50 70 mA

II 60 30 60 80

dV/dt (2) VD = 67 % VDRM gate open Tj = 125°C MIN. 500 40 500 1000 V/µs

(dI/dt)c (2) (dV/dt)c = 0.1 V/µs Tj = 125°C

MIN.

- 8.5 - - A/ms

(dV/dt)c = 10 V/µs Tj = 125°C - 3.0 - -

Without snubber Tj = 125°C 8.5 - 8.5 14

Symbol Test Conditions Quadrant BTA/BTB16Unit

C B

IGT (1)VD = 12 V RL = 33 Ω

I - II - IIIIV

MAX. 2550

50100

mA

VGT ALL MAX. 1.3 V

VGD VD = VDRM RL = 3.3 kΩ Tj = 125°C ALL MIN. 0.2 V

IH (2) IT = 500 mA MAX. 25 50 mA

IL IG = 1.2 IGT I - III - IV MAX. 40 60 mA

II 80 120

dV/dt (2) VD = 67 % VDRM gate open Tj = 125°C MIN. 200 400 V/µs

(dV/dt)c(2) (dI/dt)c = 7 A/ms Tj = 125°C MIN. 5 10 V/µs

Symbol Test Conditions Value Unit

VTM (2) ITM = 22.5 A tp = 380 µs Tj = 25°C MAX. 1.55 V

Vto (2) Threshold voltage Tj = 125°C MAX. 0.85 V

Rd (2) Dynamic resistance Tj = 125°C MAX. 25 m Ω

IDRM

IRRM

VDRM = VRRM Tj = 25°CMAX.

5 µA

Tj = 125°C 2 mA

BTA/BTB16 and T16 Series

3/7

THERMAL RESISTANCES

S: Copper surface under tab

PRODUCT SELECTOR

ORDERING INFORMATION

Symbol Parameter Value Unit

Rth(j-c) Junction to case (AC) D²PAKTO-220AB

1.2°C/W

TO-220AB Insulated 2.1

Rth(j-a) Junction to ambient S = 1 cm² D²PAK 45 °C/W

TO-220AB60

TO-220AB Insulated

Part NumberVoltage(xxx)

Sensitivity Type Package600 V 800 V

BTA/BTB16-xxxB X X 50 mA Standard TO-220AB

BTA/BTB16-xxxBW X X 50 mA Snubberless TO-220AB

BTA/BTB16-xxxC X X 25 mA Standard TO-220AB

BTA/BTB16-xxxCW X X 35 mA Snubberless TO-220AB

BTA/BTB16-xxxSW X X 10 mA Logic level TO-220AB

T1635-xxxG X X 35 mA Snubberless D²PAK

INSULATION:A: insulatedB: non insulated

BT A 16 - 600 BW (RG)TRIACSERIES

CURRENT: 16A

SENSITIVITY & TYPEB: 50mA STANDARDBW: 50mA SNUBBERLESSC: 25mA STANDARDCW: 35mA SNUBBERLESSSW: 10mA LOGIC LEVEL

VOLTAGE:600: 600V800: 800V

PACKING MODEBlank: BulkRG:Tube

T 16 35 - 600 G (-TR)TRIACSERIES

SENSITIVITY:35: 35mA

VOLTAGE:600: 600V800: 800V

CURRENT: 16A

PACKAGE:G: D PAK2

PACKING MODE:Blank:Tube-TR:Tape & Reel

BTA/BTB16 and T16 Series

4/7

OTHER INFORMATION

Note: xxx = voltage, y = sensitivity, z = type

Part Number Marking Weight Basequantity

Packingmode

BTA/BTB16-xxxyz BTA/BTB16xxxyz 2.3 g 250 Bulk

BTA/BTB16-xxxyzRG BTA/BTB16-xxxyz 2.3 g 50 Tube

T1635-xxxG T1635xxxG 1.5 g 50 Tube

T1635-xxxG-TR T1635xxxG 1.5 g 1000 Tape & reel

Fig. 1: Maximum power dissipation versus RMSon-state current (full cycle).

Fig. 2-1: RMS on-state current versus casetemperature (full cycle).

Fig. 2-2: D²PAK RMS on-state current versusambient temperature (printed circuit board FR4,copper thickness: 35 µm), full cycle.

Fig. 3: Relative variation of thermal impedanceversus pulse duration.

0 2 4 6 8 10 12 14 1602468

101214161820

IT(RMS) (A)

P (W)

0 25 50 75 100 1250

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Tc(°C)

IT(RMS) (A)

BTA

BTB/T16

0 25 50 75 100 1250.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Tamb(°C)

IT(RMS) (A)

D PAK(S=1cm )

2

2

1E-3 1E-2 1E-1 1E+0 1E+1 1E+2 5E+21E-2

1E-1

1E+0

tp (s)

K=[Zth/Rth]

Zth(j-c)

Zth(j-a)

BTA/BTB16 and T16 Series

5/7

Fig. 4: On-state characteristics (maximumvalues)

Fig. 5: Surge peak on-state current versusnumber of cycles.

Fig. 6: Non-repetitive surge peak on-statecurrent for a sinusoidal pulse with widthtp < 10ms, and corresponding value of I²t.

Fig. 7: Relative variation of gate trigger current,holding current and latching current versusjunction temperature (typical values).

Fig. 8: Relative variation of critical rate ofdecrease of main current versus (dV/dt)c (typicalvalues).

Fig. 9: Relative variation of critical rate ofdecrease of main current versus junctiontemperature.

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.01

10

100

200

VTM (V)

ITM (A)

Tj=25°C

Tj max

Tj max:Vto = 0.85 VRd = 25 mΩ

1 10 100 10000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Number of cycles

ITSM (A)

Non repetitiveTj initial=25°C

RepetitiveTc=85°C

One cycle

t=20ms

0.01 0.10 1.00 10.00100

1000

3000

tp (ms)

ITSM (A), I²t (A²s)

Tj initial=25°C

ITSM

I²t

dI/dt limitation:50A/µs

-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 1400.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Tj(°C)

IGT,IH,IL[Tj] / IGT,IH,IL [Tj=25°C]

IGT

IH & IL

0.1 1.0 10.0 100.00.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

(dV/dt)c (V/µs)

(dI/dt)c [(dV/dt)c] / Specified (dI/dt)c

BW/CW/T1635

C

B

SW

0 25 50 75 100 1250

1

2

3

4

5

6

Tj (°C)

(dI/dt)c [Tj] / (dI/dt)c [Tj specified]

LM2907/LM2917

Frequency to Voltage ConverterGeneral DescriptionThe LM2907, LM2917 series are monolithic frequency tovoltage converters with a high gain op amp/comparator de-signed to operate a relay, lamp, or other load when the inputfrequency reaches or exceeds a selected rate. The tachom-eter uses a charge pump technique and offers frequencydoubling for low ripple, full input protection in two versions(LM2907-8, LM2917-8) and its output swings to ground for azero frequency input.

The op amp/comparator is fully compatible with the tachom-eter and has a floating transistor as its output. This featureallows either a ground or supply referred load of up to 50 mA.The collector may be taken above VCC up to a maximum VCE

of 28V.

The two basic configurations offered include an 8-pin devicewith a ground referenced tachometer input and an internalconnection between the tachometer output and the op ampnon-inverting input. This version is well suited for singlespeed or frequency switching or fully buffered frequency tovoltage conversion applications.

The more versatile configurations provide differential ta-chometer input and uncommitted op amp inputs. With thisversion the tachometer input may be floated and the op ampbecomes suitable for active filter conditioning of the tachom-eter output.

Both of these configurations are available with an activeshunt regulator connected across the power leads. Theregulator clamps the supply such that stable frequency tovoltage and frequency to current operations are possiblewith any supply voltage and a suitable resistor.

Advantagesn Output swings to ground for zero frequency input

n Easy to use; VOUT = fIN x VCC x R1 x C1

n Only one RC network provides frequency doubling

n Zener regulator on chip allows accurate and stablefrequency to voltage or current conversion (LM2917)

Featuresn Ground referenced tachometer input interfaces directly

with variable reluctance magnetic pickups

n Op amp/comparator has floating transistor output

n 50 mA sink or source to operate relays, solenoids,meters, or LEDs

n Frequency doubling for low ripple

n Tachometer has built-in hysteresis with either differentialinput or ground referenced input

n Built-in zener on LM2917

n ±0.3% linearity typical

n Ground referenced tachometer is fully protected fromdamage due to swings above VCC and below ground

Applicationsn Over/under speed sensing

n Frequency to voltage conversion (tachometer)

n Speedometers

n Breaker point dwell meters

n Hand-held tachometer

n Speed governors

n Cruise control

n Automotive door lock control

n Clutch control

n Horn control

n Touch or sound switches

Block and Connection DiagramsDual-In-Line and Small Outline Packages, Top Views

00794201

Order Number LM2907M-8 or LM2907N-8

See NS Package Number M08A or N08E

00794202

Order Number LM2917M-8 or LM2917N-8

See NS Package Number M08A or N08E

May 2003

LM

2907/L

M2917

Fre

qu

en

cy

toV

olta

ge

Co

nverte

r

© 2003 National Semiconductor Corporation DS007942 www.national.com

Block and Connection Diagrams Dual-In-Line and Small Outline Packages, Top Views (Continued)

00794203

Order Number LM2907M or LM2907N

See NS Package Number M14A or N14A

00794204

Order Number LM2917M or LM2917N

See NS Package Number M14A or N14A

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com 2

Absolute Maximum Ratings (Note 1)

If Military/Aerospace specified devices are required,

please contact the National Semiconductor Sales Office/

Distributors for availability and specifications.

Supply Voltage 28V

Supply Current (Zener Options) 25 mA

Collector Voltage 28V

Differential Input Voltage

Tachometer 28V

Op Amp/Comparator 28V

Input Voltage Range

Tachometer

LM2907-8, LM2917-8 ±28V

LM2907, LM2917 0.0V to +28V

Op Amp/Comparator 0.0V to +28V

Power Dissipation

LM2907-8, LM2917-8 1200 mW

LM2907-14, LM2917-14 1580 mW

See (Note 1)

Operating Temperature Range −40˚C to +85˚C

Storage Temperature Range −65˚C to +150˚C

Soldering Information

Dual-In-Line Package

Soldering (10 seconds) 260˚C

Small Outline Package

Vapor Phase (60 seconds) 215˚C

Infrared (15 seconds) 220˚C

See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect

on Product Reliability” for other methods of soldering

surface mount devices.

Electrical CharacteristicsVCC = 12 VDC, TA = 25˚C, see test circuit

Symbol Parameter Conditions Min Typ Max Units

TACHOMETER

Input Thresholds VIN = 250 mVp-p @ 1 kHz (Note 2) ±10 ±25 ±40 mV

Hysteresis VIN = 250 mVp-p @ 1 kHz (Note 2) 30 mV

Offset Voltage VIN = 250 mVp-p @ 1 kHz (Note 2)

LM2907/LM2917 3.5 10 mV

LM2907-8/LM2917-8 5 15 mV

Input Bias Current VIN = ±50 mVDC 0.1 1 µA

VOH Pin 2 VIN = +125 mVDC (Note 3) 8.3 V

VOL Pin 2 VIN = −125 mVDC (Note 3) 2.3 V

I2, I3 Output Current V2 = V3 = 6.0V (Note 4) 140 180 240 µA

I3 Leakage Current I2 = 0, V3 = 0 0.1 µA

K Gain Constant (Note 3) 0.9 1.0 1.1

Linearity fIN = 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz (Note 5) −1.0 0.3 +1.0 %

OP/AMP COMPARATOR

VOS VIN = 6.0V 3 10 mV

IBIAS VIN = 6.0V 50 500 nA

Input Common-Mode Voltage 0 VCC−1.5V V

Voltage Gain 200 V/mV

Output Sink Current VC = 1.0 40 50 mA

Output Source Current VE = VCC −2.0 10 mA

Saturation Voltage ISINK = 5 mA 0.1 0.5 V

ISINK = 20 mA 1.0 V

ISINK = 50 mA 1.0 1.5 V

ZENER REGULATOR

Regulator Voltage RDROP = 470Ω 7.56 V

Series Resistance 10.5 15 Ω

Temperature Stability +1 mV/˚C

TOTAL SUPPLY CURRENT 3.8 6 mA

Note 1: For operation in ambient temperatures above 25˚C, the device must be derated based on a 150˚C maximum junction temperature and a thermal resistance

of 101˚C/W junction to ambient for LM2907-8 and LM2917-8, and 79˚C/W junction to ambient for LM2907-14 and LM2917-14.

Note 2: Hysteresis is the sum +VTH − (−VTH), offset voltage is their difference. See test circuit.

Note 3: VOH is equal to 3⁄4 x VCC − 1 VBE, VOL is equal to 1⁄4 x VCC − 1 VBE therefore VOH − VOL = VCC/2. The difference, VOH − VOL, and the mirror gain, I2/I3,

are the two factors that cause the tachometer gain constant to vary from 1.0.

Note 4: Be sure when choosing the time constant R1 x C1 that R1 is such that the maximum anticipated output voltage at pin 3 can be reached with I3 x R1. The

maximum value for R1 is limited by the output resistance of pin 3 which is greater than 10 MΩ typically.

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com3

Electrical Characteristics (Continued)

Note 5: Nonlinearity is defined as the deviation of VOUT (@ pin 3) for fIN = 5 kHz from a straight line defined by the VOUT @ 1 kHz and VOUT @ 10 kHz. C1 = 1000 pF,

R1 = 68k and C2 = 0.22 mFd.

Test Circuit and Waveform

00794206

Tachometer Input Threshold Measurement

00794207

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com 4

Typical Performance Characteristics

Total Supply Current

Zener Voltage vs

Temperature

0079424000794241

Normalized Tachometer

Output vs Temperature

Normalized Tachometer

Output vs Temperature

00794242 00794243

Tachometer Currents I2and I3 vs Supply Voltage

Tachometer Currents I2and I3 vs Temperature

00794244 00794245

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com5

Typical Performance Characteristics (Continued)

Tachometer Linearity

vs Temperature

Tachometer Linearity

vs Temperature

00794246 00794247

Tachometer Linearity vs R1

Tachometer Input Hysteresis

vs Temperature

0079424800794249

Op Amp Output Transistor

Characteristics

Op Amp Output Transistor

Characteristics

0079425000794251

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com 6

Applications InformationThe LM2907 series of tachometer circuits is designed forminimum external part count applications and maximum ver-satility. In order to fully exploit its features and advantageslet’s examine its theory of operation. The first stage of op-eration is a differential amplifier driving a positive feedbackflip-flop circuit. The input threshold voltage is the amount ofdifferential input voltage at which the output of this stagechanges state. Two options (LM2907-8, LM2917-8) haveone input internally grounded so that an input signal mustswing above and below ground and exceed the input thresh-olds to produce an output. This is offered specifically formagnetic variable reluctance pickups which typically providea single-ended ac output. This single input is also fullyprotected against voltage swings to ±28V, which are easilyattained with these types of pickups.

The differential input options (LM2907, LM2917) give theuser the option of setting his own input switching level andstill have the hysteresis around that level for excellent noiserejection in any application. Of course in order to allow theinputs to attain common-mode voltages above ground, inputprotection is removed and neither input should be takenoutside the limits of the supply voltage being used. It is veryimportant that an input not go below ground without someresistance in its lead to limit the current that will then flow inthe epi-substrate diode.

Following the input stage is the charge pump where the inputfrequency is converted to a dc voltage. To do this requiresone timing capacitor, one output resistor, and an integratingor filter capacitor. When the input stage changes state (dueto a suitable zero crossing or differential voltage on the input)the timing capacitor is either charged or discharged linearlybetween two voltages whose difference is VCC/2. Then inone half cycle of the input frequency or a time equal to 1/2 fINthe change in charge on the timing capacitor is equal toVCC/2 x C1. The average amount of current pumped into orout of the capacitor then is:

The output circuit mirrors this current very accurately into theload resistor R1, connected to ground, such that if the pulsesof current are integrated with a filter capacitor, then VO = ic xR1, and the total conversion equation becomes:

VO = VCC x fIN x C1 x R1 x K

Where K is the gain constant — typically 1.0.

The size of C2 is dependent only on the amount of ripplevoltage allowable and the required response time.

CHOOSING R1 AND C1

There are some limitations on the choice of R1 and C1 whichshould be considered for optimum performance. The timingcapacitor also provides internal compensation for the chargepump and should be kept larger than 500 pF for very accu-rate operation. Smaller values can cause an error current onR1, especially at low temperatures. Several considerationsmust be met when choosing R1. The output current at pin 3is internally fixed and therefore VO/R1 must be less than orequal to this value. If R1 is too large, it can become asignificant fraction of the output impedance at pin 3 whichdegrades linearity. Also output ripple voltage must be con-sidered and the size of C2 is affected by R1. An expressionthat describes the ripple content on pin 3 for a single R1C2combination is:

It appears R1 can be chosen independent of ripple, howeverresponse time, or the time it takes VOUT to stabilize at a newvoltage increases as the size of C2 increases, so a compro-mise between ripple, response time, and linearity must bechosen carefully.

As a final consideration, the maximum attainable input fre-quency is determined by VCC, C1 and I2:

USING ZENER REGULATED OPTIONS (LM2917)

For those applications where an output voltage or currentmust be obtained independent of supply voltage variations,the LM2917 is offered. The most important consideration inchoosing a dropping resistor from the unregulated supply tothe device is that the tachometer and op amp circuitry alonerequire about 3 mA at the voltage level provided by thezener. At low supply voltages there must be some currentflowing in the resistor above the 3 mA circuit current tooperate the regulator. As an example, if the raw supplyvaries from 9V to 16V, a resistance of 470Ω will minimize thezener voltage variation to 160 mV. If the resistance goesunder 400Ω or over 600Ω the zener variation quickly risesabove 200 mV for the same input variation.

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com7

Typical Applications

Minimum Component Tachometer

00794208

00794209

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com 8

there must be some current flowing in the resistor above the

3 mA circuit current to operate the regulator. As an exam-

ple, if the raw supply varies from 9V to 16V, a resistance of

470X will minimize these zener voltage variations to 160

mV. If the resistor goes under 400X or over 600X the zener

variation quickly rises above 200 mV for the same input vari-

ation. Take care also that the power dissipation of the IC is

not exceeded at higher supply voltages. Figure 4 shows

suitable dropping resistor values.

TL/H/7451–7

FIGURE 4. Zener Regular Bias Resistor Range

Input Interface Circuits

The ground referenced input capability of the LM2907-8 al-

lows direct coupling to transformer inputs, or variable reluc-

tance pickups. Figure 5(a) illustrates this connection. In

many cases, the frequency signal must be obtained from

another circuit whose output may not go below ground. This

may be remedied by using ac coupling to the input of the

LM2907 as illustrated in Figure 5(b). This approach is very

suitable for use with phototransistors for optical pickups.

Noisy signal sources may be coupled as shown in Figure5(c). The signal is bandpass filtered. This can be used, for

example, for tachometers operating from breakerpoints on a

conventional Kettering ignition system. Remember that the

minimum input signal required by the LM2907 is only 30

mVp-p, but this signal must be able to swing at least 15 mV

on either side of the inverting input. The maximum signal

which can be applied to the LM2907 input, is g28V. The

input bias current is a typically 100 nA. A path to ground

must be provided for this current through the source or by

other means as illustrated. With 14-pin package versions of

LM2907, LM2917, it is possible to bias the inverting input to

the tachometer as illustrated inFigure 5(d). This enables the

circuit to operate with input signals that do not go to ground,

but are referenced at higher voltages. Alternatively, this

method increases the noise immunity where large signal

TL/H/7451–8

(a) Ground Referenced InputsTL/H/7451–9

(b) AC Coupled Input

TL/H/7451–10

(c) Bandpass Filtered Input

Reduces Noise

TL/H/7451–11

(d) Above Ground SensingTL/H/7451–12

(e) High Common-Mode Rejection Input Circuit

FIGURE 5. Tachometer Input Configurations

5

Equivalent Schematic Diagram

00794238

*This connection made on LM2907-8 and LM2917-8 only.

**This connection made on LM2917 and LM2917-8 only.

LM

29

07

/LM

29

17

www.national.com 18

LM741

Operational AmplifierGeneral DescriptionThe LM741 series are general purpose operational amplifi-ers which feature improved performance over industry stan-dards like the LM709. They are direct, plug-in replacementsfor the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications.

The amplifiers offer many features which make their appli-cation nearly foolproof: overload protection on the input and

output, no latch-up when the common mode range is ex-ceeded, as well as freedom from oscillations.

The LM741C is identical to the LM741/LM741A except thatthe LM741C has their performance guaranteed over a 0˚C to+70˚C temperature range, instead of −55˚C to +125˚C.

Features

Connection Diagrams

Metal Can Package Dual-In-Line or S.O. Package

00934102

Note 1: LM741H is available per JM38510/10101

Order Number LM741H, LM741H/883 (Note 1),LM741AH/883 or LM741CH

See NS Package Number H08C

00934103

Order Number LM741J, LM741J/883, LM741CN

See NS Package Number J08A, M08A or N08E

Ceramic Flatpak

00934106

Order Number LM741W/883

See NS Package Number W10A

Typical Application

Offset Nulling Circuit

00934107

August 2000

LM

741

Op

era

tion

al

Am

plifie

r

© 2004 National Semiconductor Corporation DS009341 www.national.com

Absolute Maximum Ratings (Note 2)

If Military/Aerospace specified devices are required,

please contact the National Semiconductor Sales Office/

Distributors for availability and specifications.

(Note 7)

LM741A LM741 LM741C

Supply Voltage ±22V ±22V ±18V

Power Dissipation (Note 3) 500 mW 500 mW 500 mW

Differential Input Voltage ±30V ±30V ±30V

Input Voltage (Note 4) ±15V ±15V ±15V

Output Short Circuit Duration Continuous Continuous Continuous

Operating Temperature Range −55˚C to +125˚C −55˚C to +125˚C 0˚C to +70˚C

Storage Temperature Range −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚C

Junction Temperature 150˚C 150˚C 100˚C

Soldering Information

N-Package (10 seconds) 260˚C 260˚C 260˚C

J- or H-Package (10 seconds) 300˚C 300˚C 300˚C

M-Package

Vapor Phase (60 seconds) 215˚C 215˚C 215˚C

Infrared (15 seconds) 215˚C 215˚C 215˚C

See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” for other methods of

soldering

surface mount devices.

ESD Tolerance (Note 8) 400V 400V 400V

Electrical Characteristics (Note 5)

Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units

Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max

Input Offset Voltage TA = 25˚C

RS ≤ 10 kΩ 1.0 5.0 2.0 6.0 mV

RS ≤ 50Ω 0.8 3.0 mV

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX

RS ≤ 50Ω 4.0 mV

RS ≤ 10 kΩ 6.0 7.5 mV

Average Input Offset 15 µV/˚C

Voltage Drift

Input Offset Voltage TA = 25˚C, VS = ±20V ±10 ±15 ±15 mV

Adjustment Range

Input Offset Current TA = 25˚C 3.0 30 20 200 20 200 nA

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 70 85 500 300 nA

Average Input Offset 0.5 nA/˚C

Current Drift

Input Bias Current TA = 25˚C 30 80 80 500 80 500 nA

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 0.210 1.5 0.8 µA

Input Resistance TA = 25˚C, VS = ±20V 1.0 6.0 0.3 2.0 0.3 2.0 MΩ

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, 0.5 MΩ

VS = ±20V

Input Voltage Range TA = 25˚C ±12 ±13 V

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX ±12 ±13 V

LM

74

1

www.national.com 2

Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)

Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units

Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max

Large Signal Voltage Gain TA = 25˚C, RL ≥ 2 kΩ

VS = ±20V, VO = ±15V 50 V/mV

VS = ±15V, VO = ±10V 50 200 20 200 V/mV

TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,

RL ≥ 2 kΩ,

VS = ±20V, VO = ±15V 32 V/mV

VS = ±15V, VO = ±10V 25 15 V/mV

VS = ±5V, VO = ±2V 10 V/mV

Output Voltage Swing VS = ±20V

RL ≥ 10 kΩ ±16 V

RL ≥ 2 kΩ ±15 V

VS = ±15V

RL ≥ 10 kΩ ±12 ±14 ±12 ±14 V

RL ≥ 2 kΩ ±10 ±13 ±10 ±13 V

Output Short Circuit TA = 25˚C 10 25 35 25 25 mA

Current TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 10 40 mA

Common-Mode TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX

Rejection Ratio RS ≤ 10 kΩ, VCM = ±12V 70 90 70 90 dB

RS ≤ 50Ω, VCM = ±12V 80 95 dB

Supply Voltage Rejection TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,

Ratio VS = ±20V to VS = ±5V

RS ≤ 50Ω 86 96 dB

RS ≤ 10 kΩ 77 96 77 96 dB

Transient Response TA = 25˚C, Unity Gain

Rise Time 0.25 0.8 0.3 0.3 µs

Overshoot 6.0 20 5 5 %

Bandwidth (Note 6) TA = 25˚C 0.437 1.5 MHz

Slew Rate TA = 25˚C, Unity Gain 0.3 0.7 0.5 0.5 V/µs

Supply Current TA = 25˚C 1.7 2.8 1.7 2.8 mA

Power Consumption TA = 25˚C

VS = ±20V 80 150 mW

VS = ±15V 50 85 50 85 mW

LM741A VS = ±20V

TA = TAMIN 165 mW

TA = TAMAX 135 mW

LM741 VS = ±15V

TA = TAMIN 60 100 mW

TA = TAMAX 45 75 mW

Note 2: “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device is

functional, but do not guarantee specific performance limits.

LM

74

1

www.national.com3

Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)

Note 3: For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and Tj max. (listed under “Absolute Maximum

Ratings”). Tj = TA + (θjA PD).

Thermal Resistance Cerdip (J) DIP (N) HO8 (H) SO-8 (M)

θjA (Junction to Ambient) 100˚C/W 100˚C/W 170˚C/W 195˚C/W

θjC (Junction to Case) N/A N/A 25˚C/W N/A

Note 4: For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage.

Note 5: Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55˚C ≤ TA ≤ +125˚C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these

specifications are limited to 0˚C ≤ TA ≤ +70˚C.

Note 6: Calculated value from: BW (MHz) = 0.35/Rise Time(µs).

Note 7: For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A.

Note 8: Human body model, 1.5 kΩ in series with 100 pF.

Schematic Diagram

00934101

LM

74

1

www.national.com 4

1997 May 29 2

Philips Semiconductors Product specification

NPN switching transistors 2N2222; 2N2222A

FEATURES

• High current (max. 800 mA)

• Low voltage (max. 40 V).

APPLICATIONS

• Linear amplification and switching.

DESCRIPTION

NPN switching transistor in a TO-18 metal package.PNP complement: 2N2907A.

PINNING

PIN DESCRIPTION

1 emitter

2 base

3 collector, connected to case

Fig.1 Simplified outline (TO-18) and symbol.

handbook, halfpage

MAM2641

3

2

3

12

QUICK REFERENCE DATA

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

VCBO collector-base voltage open emitter

2N2222 − 60 V

2N2222A − 75 V

VCEO collector-emitter voltage open base

2N2222 − 30 V

2N2222A − 40 V

IC collector current (DC) − 800 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 500 mW

hFE DC current gain IC = 10 mA; VCE = 10 V 75 −fT transition frequency IC = 20 mA; VCE = 20 V; f = 100 MHz

2N2222 250 − MHz

2N2222A 300 − MHz

toff turn-off time ICon = 150 mA; IBon = 15 mA; IBoff = −15 mA − 250 ns

1997 May 29 3

Philips Semiconductors Product specification

NPN switching transistors 2N2222; 2N2222A

LIMITING VALUESIn accordance with the Absolute Maximum Rating System (IEC 134).

THERMAL CHARACTERISTICS

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

VCBO collector-base voltage open emitter

2N2222 − 60 V

2N2222A − 75 V

VCEO collector-emitter voltage open base

2N2222 − 30 V

2N2222A − 40 V

VEBO emitter-base voltage open collector

2N2222 − 5 V

2N2222A − 6 V

IC collector current (DC) − 800 mA

ICM peak collector current − 800 mA

IBM peak base current − 200 mA

Ptot total power dissipation Tamb ≤ 25 °C − 500 mW

Tcase ≤ 25 °C − 1.2 W

Tstg storage temperature −65 +150 °CTj junction temperature − 200 °CTamb operating ambient temperature −65 +150 °C

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS VALUE UNIT

Rth j-a thermal resistance from junction to ambient in free air 350 K/W

Rth j-c thermal resistance from junction to case 146 K/W

1997 May 29 4

Philips Semiconductors Product specification

NPN switching transistors 2N2222; 2N2222A

CHARACTERISTICSTj = 25 °C unless otherwise specified.

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

ICBO collector cut-off current

2N2222 IE = 0; VCB = 50 V − 10 nA

IE = 0; VCB = 50 V; Tamb = 150 °C − 10 µA

ICBO collector cut-off current

2N2222A IE = 0; VCB = 60 V − 10 nA

IE = 0; VCB = 60 V; Tamb = 150 °C − 10 µA

IEBO emitter cut-off current IC = 0; VEB = 3 V − 10 nA

hFE DC current gain IC = 0.1 mA; VCE = 10 V 35 −IC = 1 mA; VCE = 10 V 50 −IC = 10 mA; VCE = 10 V 75 −IC = 150 mA; VCE = 1 V; note 1 50 −IC = 150 mA; VCE = 10 V; note 1 100 300

hFE DC current gain IC = 10 mA; VCE = 10 V; Tamb = −55 °C2N2222A 35 −

hFE DC current gain IC = 500 mA; VCE = 10 V; note 1

2N2222 30 −2N2222A 40 −

VCEsat collector-emitter saturation voltage

2N2222 IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1 − 400 mV

IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1 − 1.6 V

VCEsat collector-emitter saturation voltage

2N2222A IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1 − 300 mV

IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1 − 1 V

VBEsat base-emitter saturation voltage

2N2222 IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1 − 1.3 V

IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1 − 2.6 V

VBEsat base-emitter saturation voltage

2N2222A IC = 150 mA; IB = 15 mA; note 1 0.6 1.2 V

IC = 500 mA; IB = 50 mA; note 1 − 2 V

Cc collector capacitance IE = ie = 0; VCB = 10 V; f = 1 MHz − 8 pF

Ce emitter capacitance IC = ic = 0; VEB = 500 mV; f = 1 MHz

2N2222A − 25 pF

fT transition frequency IC = 20 mA; VCE = 20 V; f = 100 MHz

2N2222 250 − MHz

2N2222A 300 − MHz

F noise figure IC = 200 µA; VCE = 5 V; RS = 2 kΩ;f = 1 kHz; B = 200 Hz2N2222A − 4 dB

1997 May 29 5

Philips Semiconductors Product specification

NPN switching transistors 2N2222; 2N2222A

Note

1. Pulse test: tp ≤ 300 µs; δ ≤ 0.02.

Switching times (between 10% and 90% levels); see Fig.2

ton turn-on time ICon = 150 mA; IBon = 15 mA; IBoff = −15 mA − 35 ns

td delay time − 10 ns

tr rise time − 25 ns

toff turn-off time − 250 ns

ts storage time − 200 ns

tf fall time − 60 ns

SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT

Vi = 9.5 V; T = 500 µs; tp = 10 µs; tr = tf ≤ 3 ns.

R1 = 68 Ω; R2 = 325 Ω; RB = 325 Ω; RC = 160 Ω.

VBB = −3.5 V; VCC = 29.5 V.

Oscilloscope input impedance Zi = 50 Ω.

ndbook, full pagewidth

RC

R2

R1

DUT

MLB826

Vo

RB(probe)

450 Ω(probe)

450 Ωoscilloscope oscilloscope

VBB

Vi

VCC

Fig.2 Test circuit for switching times.

TECHNICAL DATAPNP SWITCHING SILICON TRANSISTORQualified per MIL-PRF-19500/290Devices Qualified Level2N2904

2N2904A

2N2904AL

2N2905

2N2905A

2N2905AL

JAN

JANTX

JANTXV

JANS

MAXIMUM RATINGS

Ratings Symbol

2N2904

2N2905

2N2904A, L

2N2905A, L Unit

Collector-Emitter Voltage VCEO 40 60 Vdc

Collector-Base Voltage VCBO 60 Vdc

Emitter-Base Voltage VEBO 5.0 Vdc

Collector Current IC 600 mAdc

Total Power Dissipation @ TA = +250C (1)

@ TC = +250C (2) PT0.6

3.0

W

W

Operating & Storage Junction Temp. Range TJ, Tstg -65 to +200 0C

THERMAL CHARACTERISTICS

Characteristics Symbol Max. Unit

Thermal Resistance, Junction-to-Case RθJC 0.29 0C/mW

1) Derate linearly 3.43 W/0C for TA > +250C

2) Derate linearly 17.2 W/0C for TC > +250C

TO-39* (TO-205AD)

2N2904, 2N2904A

2N2905, 2N2905A

TO-5*

2N2904AL, 2N2905AL

*See appendix A for

package outline

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = +250C unless otherwise noted)

Characteristics Symbol Min. Max. Unit

OFF CHARACTERISTICS

Collector-Emitter Breakdown Voltage

IC = 10 mAdc 2N2904, 2N2905

2N2904A, L, 2N2905A, L

V(BR)CEO 40

60

Vdc

Collector-Emitter Cutoff Voltage

VCE = 40 Vdc 2N2904, 2N2905

VCE = 60 Vdc 2N2904A, L, 2N2905A, L

ICES1.0

1.0

µAdc

Collector-Base Cutoff Current

VCB = 50 Vdc 2N2904, 2N2905

2N2904A, L, 2N2905A, L

VCB = 60 Vdc All Types

ICBO 20

10

10

ηAdc

µAdc

Emitter-Base Cutoff Current

VEB = 3.5 Vdc

VEB = 5.0 Vdc

IEBO 50

10

ηAdc

µAdc

6 Lake Street, Lawrence, MA 01841

1-800-446-1158 / (978) 794-1666 / Fax: (978) 689-0803

120101

Page 1 of 2

2N2904, 2N2904A, 2N2904AL, 2N2905, 2N2905A, 2N2905AL JAN SERIES

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (con’t)

Characteristics Symbol Min. Max. Unit

ON CHARACTERISTICS (3)

Forward-Current Transfer Ratio

IC = 0.1 mAdc, VCE = 10 Vdc 2N2904

2N2905

2N2904A, 2N2904AL

2N2905A, 2N2905AL

IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc 2N2904

2N2905

2N2904A, 2N2904AL

2N2905A, 2N2905AL

IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc 2N2904

2N2905

2N2904A, 2N2904AL

2N2905A, 2N2905AL

IC = 150 mAdc, VCE = 10 Vdc 2N2904, 2N2904A, L

2N2905, 2N2905A, L

IC = 500 mAdc, VCE = 10 Vdc 2N2904

2N2905

2N2904A, 2N2904AL

2N2905A, 2N2905AL

hFE

20

35

40

75

25

50

40

100

35

75

40

100

40

100

20

30

40

50

175

450

175

450

120

300

Collector-Emitter Saturation Voltage

IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc

IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc

VCE(sat) 0.4

1.6Vdc

Base-Emitter Voltage

IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc

IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc

VBE(sat) 1.3

2.6Vdc

DYNAMIC CHARACTERISTICS

Small-Signal Cutoff Frequency

IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz

2N2904

2N2905

2N2904A, 2N2905A

2N2904AL, 2N2905AL

hfe

25

50

40

100

Small-Signal Cutoff Frequency, Magnitude

IC = 50 mAdc, VCE = 20 Vdc, f = 100 MHz hfe 2.0

Output Capacitance

VCB = 10 Vdc, IE = 0, 100 kHz ≤ f ≤ 1.0 MHzCobo 8.0 pF

Input Capacitance

VEB = 2.0 Vdc, IC = 0, 100 kHz ≤ f ≤ 1.0 MHzCibo 30 pF

SWITCHING CHARACTERISTICS

Turn-On Time

VCC = 30 Vdc; IC = 150 mAdc; IB1= 15 mAdcton 45 ηs

Turn-Off Time

VCC = 30 Vdc; IC = 150 mAdc; IB1 = IB2 = 15 mAdctoff 300 ηs

(3) Pulse Test: Pulse Width = 300µs, Duty Cycle ≤ 2.0%.

6 Lake Street, Lawrence, MA 01841

1-800-446-1158 / (978) 794-1666 / Fax: (978) 689-0803

120101

Page 2 of 2