Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaa motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggnaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa.
Keunggulan motor stepper dibandingkan dengan motor DC biasa adalah :
1. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur.
2. Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak 3. Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi
4. Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran)
5. Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC
6. Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya
7. Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.
Pada dasarnya terdapat tiga tipe motor stepper :
Motor stepper tipe variable reluctance (VR) yaitu merupakan motor stepper jenis lama dan merupakan jenis motor yang structural paling mudah untuk dipahami.
Motor ini terdiri dari sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberikan energy dengan arus DC, utub-kutubnya menjadi termagnitasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator.
Motor stepper tipe permanent magnet (PM) yaitu memiliki rotor yang bentuknya seperti kaleng bundar(tibn can) dan terdiri dari atas lapisan magnet permanen yang diselang selangi dengan kutub yang berlawan. Dengan adanya magnet permanen maka intensitas fluks mgnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusi langka (step) yang rendah yaitu antara 7,5 hingga 15 perlangka atau 48 hingga 24 langka setiap putarya.
Motor stepper tipe hybrid (HB) yaitu memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor yang sebelumnya. Motor stepper tipe hybrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor stepper tip VR dan juga memiliki magnet permanent yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor stepper tipe PM. Tipe motor ini paling banyak digunakan dalam bebagai aplikasi karena kerjanya lebih baik. Motor tipe hybrid dapat menghasilkan resolusi langka yang
tinggi yaitu 3,6 hingga 0,9 perlangka atau 100 sampai 400 langka setiap putarannya.
Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dibuat karena hanya memerlukan satu signal On Off dengan menggunakan switch / transistor pada masing – maisng lilitanny
Gambar 2.7 Lilitan Motor Stepper Unipolar
Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (VM) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan.
Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Perhatikan gambar di bawah ini.
Gambar 2.8 Motor Stepper dengan Lilitan Bipolar
Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun atau berubah – ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar torsi memiliki keunggukan
dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang lebih besar dari 5 dan 6 kabel terminal sedangkan pada motor stepper bipolar terdapat 4 kabel terminal Kita dapat menyimpulkan control dari sebuah motor stepper yaitu bagaimna pengaturan keccepatan (rpm), jumlah putarannya atau jumlah langka dengan cara mengatur besar jumlah langka pada kode program, dan bagaimana membalik atarah putarannya. Adapun algoritma pada program adalah motor stepper berputar kekanan satu kali putaran penuh dengan kecepatan 60 rpm. Kemudian berhenti sesaat (500 ms). Selanjutnya ini akan kembali berputr terbalik kearah kiri satu kali putaran penuh dengan kecepatan melambat menjadi 30 rpm. Lalu motor stepper berhenti seat dan loop kembali berulang. Dalam pengontrolan motor stepper pada pemograman arduino terdapat library yang memudahlkan kita saat ingin mengatur kecepatan, jumlah langka, dan arah putaran mtor stepper.
Setiap motor Stepper akan memiliki spesifikasi utama yaitu berapa derajat motor akan berputar setaip kali diberikan 1 pulse, atau disebut dengan Step/pulse.
Misalnya pada gambar di atas, terdapat keterangan motor dengan spesifikasi 0.072o/step, artinya setiap pulse diberikan 1 kali maka motor akan bergerak sejauh 0.072o. Dengan menghitung satu putaran adalah 360 derajat, maka diperlukan 5000 pulse agar motor tepat berputar 1 putaran penuh. Di beberapa penyebutan spesifikasi yang lain dinyatakan dalam bentuk pulse per rotation (ppr), misalnya 5000 ppr.
Dengan demikian, seberapa besar sudut putaran yang diharapkan dapat dikendalikan dengan mengatur jumlah pulsa yang diberikan kepada motor tersebut.
Seperti halnya motor listrik yang lain, motor stepper dapat kita kendalikan kecepatannya. Dengan mengambil pemahaman bahwa motor stepper berputar sekian derajat setiap kali diberikan pulse, maka semakin cepat jeda antar pemberian pulse 1 ke pulse berikutnya (T) maka gerakan motor stepper juga akan semakin cepat.
Dengan kata lain, pengaturan kecepatan motor Stepper dapat diatur dengan frekuensi pulsa yang diberikan.
Pada gambar di atas, motor stepper dikendalikan oleh driver melalui 5 kabel phase nya. Pada Driver motor Stepper terdapat input pulsa agar dapat berputar Clock Wise (CW) atau Counter Clock wise (CCW).
Gambar 2.9 Contoh Rangkaian Pengendalian Motor Stepper
2.4 Panel Surya / Solar cell
Sel surya adalah kumpulan sel fotovoltaik yang dapat mengkonversi sinar matahari menjadi listrik. Ketika memproduksi panel surya, produsen harus memastikan bahwa sel-sel surya saling terhubung secara elektrik antara satu dengan yang lain pada sistem tersebut. Sel surya juga perlu dilindungi dari kelembaban dan kerusakan mekanis karena hal ini dapat merusak efisiensi panel surya secara signifikan, dan menurunkan masa pakai dari yang diharapkan .
Sel surya biasanya memiliki umur 20 tahun yang biasanya dalam jangka waktu tersebut pemilik panel surya tidak akan mengalami penurunan efisiensi yang signifikan. Namun, meskipun dengan kemajuan teknologi mutahir, sebagian besar panel surya komersial saat ini hanya mencapai efisiensi 15% dan hal ini tentunya merupakan salah satu alasan utama mengapa industri energi surya masih tidak dapat bersaing dengan bahan bakar fosil. Panel surya komersial sangat jarang yang melampaui efisiensi 20%.
2.4.1 Prinsip Kerja Panel Surya
Sel surya konvensional bekerja menggunakan prinsip p-n junction, yaitu junction antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n. Semikonduktor ini terdiri 16 dari ikatan-ikatan atom yang dimana terdapat elektron sebagai penyusun dasar.
Semikonduktor tipe-n mempunyai kelebihan elektron (muatan negatif) sedangkan semikonduktor tipe-p mempunyai kelebihan hole (muatan positif) dalam struktur atomnya. Kondisi kelebihan elektron dan hole tersebut bisa terjadi dengan mendoping material dengan atom dopant. Sebagai contoh untuk mendapatkan material silikon tipe-p, silikon didoping oleh atom boron, sedangkan untuk
mendapatkan material silikon tipe-n, silikon didoping oleh atom fosfor. Ilustrasi dibawah menggambarkan junction semikonduktor tipe-p dan tipe-n.
Gambar 2.10 Junction antara semikonduktor tipe-p (kelebihan hole) dan tipe-n.
Peran dari p-n junction ini adalah untuk membentuk medan listrik sehingga elektron (dan hole) bisa diekstrak oleh material kontak untuk 17 menghasilkan listrik. Ketika semikonduktor tipe-p dan tipe-n terkontak, maka kelebihan elektron akan bergerak dari semikonduktor tipe-n ke tipe-p sehingga membentuk kutub positif pada semikonduktor tipe-n, dan sebaliknya kutub negatif pada semikonduktor tipe-p.
Akibat dari aliran elektron dan hole ini maka terbentuk medan listrik yang mana ketika cahaya matahari mengenai susuna p-n junction ini maka akan mendorong elektron bergerak dari semikonduktor menuju kontak negatif, yang selanjutnya dimanfaatkan sebagai listrik, dan sebaliknya hole bergerak menuju kontak positif menunggu elektron datang, seperti diilustrasikan pada gambar dibawah.
Gambar 2.11 Ilustrasi cara kerja sel surya dengan prinsip p-n junction
2.4.2 Struktur Panel Surya
Sesuai dengan perkembangan sains dan teknologi, jenis-jenis teknologi sel surya pun berkembang dengan berbagai inovasi. Ada yang disebut sel surya generasi satu, dua, tiga dan empat, dengan struktur atau bagian-bagian penyusun sel yang berbeda pula . Dalam tulisan ini akan dibahas struktur dan cara kerja dari sel surya yang umum berada dipasaran saat ini yaitu sel surya berbasis material silikon yang juga secara umum mencakup struktur dan cara kerja sel surya generasi pertama (sel surya silikon) dan kedua (thin film/lapisan tipis).
Gambar 2.12. Struktur Panel Surya.
a. Substrat/Metal backing
Substrat adalah material yang menopang seluruh komponen sel surya.
Material substrat juga harus mempunyai konduktifitas listrik yang baik karena juga berfungsi sebagai kontak terminal positif sel surya, sehinga umumnya 19 digunakan material metal atau logam seperti aluminium atau molybdenum.
Untuk sel surya dye-sensitized (DSSC) dan sel surya organik, substrat juga berfungsi sebagai tempat masuknya cahaya sehingga material yang digunakan yaitu material yang konduktif tapi juga transparan seperti indium tin oxide (ITO) dan flourine doped tin oxide (FTO).
b. Material semikonduktor
Material semikonduktor merupakan bagian inti dari sel surya yang biasanya mempunyai tebal sampai beberapa ratus mikrometer untuk sel surya generasi pertama (silikon), dan 1-3 mikrometer untuk sel surya lapisan tipis. Material semikonduktor inilah yang berfungsi menyerap cahaya dari sinar matahari. Untuk kasus gambar diatas, semikonduktor yang digunakan adalah material silikon,
yang umum diaplikasikan di industri elektronik. Sedangkan untuk sel surya lapisan tipis, material semikonduktor yang umum digunakan dan telah masuk pasaran yaitu contohnya material Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), CdTe (kadmium telluride), dan amorphous silikon, disamping materialmaterial semikonduktor potensial lain yang dalam sedang dalam penelitian intensif seperti Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS) dan Cu2O (copper oxide).
Bagian semikonduktor tersebut terdiri dari junction atau gabungan dari dua material semikonduktor yaitu semikonduktor tipe-p (material-material yang disebutkan diatas) dan tipe-n (silikon tipe-n, CdS,dll) yang membentuk p-n junction. P-n junction ini menjadi kunci dari prinsip kerja sel surya. 20 Pengertian semikonduktor tipe-p, tipe-n, dan juga prinsip p-n junction dan sel surya akan dibahas dibagian “cara kerja sel surya”.
c. Kontak metal / contact grid
Selain substrat sebagai kontak positif, diatas sebagian material semikonduktor biasanya dilapiskan material metal atau material konduktif transparan sebagai kontak negatif.
d. Lapisan antireflektif
Refleksi cahaya harus diminimalisir agar mengoptimalkan cahaya yang terserap oleh semikonduktor. Oleh karena itu biasanya sel surya dilapisi oleh lapisan anti-refleksi. Material anti-refleksi ini adalah lapisan tipis material dengan besar indeks refraktif optik antara semikonduktor dan udara yang menyebabkan cahaya dibelokkan ke arah semikonduktor sehingga meminimumkan cahaya yang dipantulkan kembali.
e. Enkapsulasi / cover glass
Bagian ini berfungsi sebagai enkapsulasi untuk melindungi modul surya dari hujan atau kotoran