BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Motor Brushless DC
Motor Brushless DC adalah salah satu jenis motor sinkron magnet permanen yang disuplai oleh sumber listrik DC pada kontrolnya, dan membutuhkan sumber listrik AC tiga fasa untuk menggerakan bagian rotor motornya. Sumber listrik AC tiga fasa dibutuhkan karena motor sinkron magnet permanen ini memiliki 3 buah koil pada stator, kemudian hubungan antara koil dan belitan stator trapezoidal akan memberikan electro motive
back trapezoidal (gaya gerak listrik balik trapezoidal) yaitu tegangan balik
yang dihasilkan oleh belitan motor brushless DC yang akan menggerakan rotor. Pergerakan pada rotor ini disebabkan oleh medan magnet pada stator yang pada setiap saatnya hanya dua fasa yang tersuplai sementara satu fasa lainnya tak tersuplai. Fenomena ini mengakibatkan motor ini seperti motor DC, karena arus yang mengalir pada kumparan stator mirip dengan motor DC meskipun motor ini sebenarnya dialiri dengan arus tiga fasa.
Motor Brushless DC ini menggunakan sistem komutasi elektrik atau sering disebut electronically comutated motor. Sistem komutasi elektrik ini diartikan sebagai fungsi dari switch electronic. Komutator elektronik ini terdiri dari kombinasi transistor atau biasanya menggunakan MOSFET atau IGBT yang membutuhkan sinyal atau pulsa penyalaan, dan dapat mengaktifkan koil dengan waktu yang tepat sehingga dapat menggerakan motor.
Gambar 2.1 Motor brushless DC
Motor DC brushless terdiri dari 3 jenis motor berdasarkan banyaknya fasa, antara lain motor DC brushless 1 fasa, 2 fasa, dan 3 fasa. Mengacu pada jenisnya, stator pada motor DC brushless memiliki jumlah yang sama dengan belitannya. Motor DC brushless yang sering digunakan adalah motor DC
brushless 3 fasa.
Gambar 2.2 Motor brushless DC (a) 1 fasa, (b) 2 fasa
Gambar 2.3 Motor brushless DC 3 fasa
2.1.1 Skema Cara Kerja Motor Brushless DC
Berdasarkan prinsip kerja dari motor brushless DC dan cara kerja pengisian koil pada motor brushless DC, maka cara kerja dari motor
brushless DC dapat dideskripsikan. Akan tetapi, sebelum mendeskripsikan
skema cara kerja dari motor brushless DC ini, kita harus memperhatikan tabel perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall.
Tabel 2.1 Perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall
Skema cara kerja motor brushless DC, adalah sebagai berikut :
Gambar 2.4 Perubahan komutasi motor step 1 dan step 2
Perhatikan tabel 2.1 dan gambar 2.4, Perubahan komutasi motor berdasarkan nilai sensor hall. Pada kolom nilai sensor hall, nilai tersebut berasal dari motor brushless DC dan merupakan konstanta tahapan atau step dari komutasi motor tersebut. Komutasi menghasilkan medan putar sehingga agar motor bisa berputar harus dilakukan secara bertahap sesuai nilai sensor hall. Pada step 1, phasa U dihubungkan ke kutub positif baterai pada bus motor DC brushless melalui (Q1), lalu phasa V dihubungkan ke netral ground melalui (Q4), untuk phasa W tidak diberikan sinyal, 2 buah vektor fluks dihasilkan oleh phasa U (panah merah) dan phasa V (panah biru). Jumlah kedua vektor tersebut menghasilkan vektor fluks pada stator (panah hijau) dimana rotor akan berusaha mengikuti arah fluks stator tersebut. Pada kondisi ini motor sedang standby untuk berputar, ketika posisi rotor sudah mencapai
posisi tertentu yang diberikan, maka nilai pernyataan logika pada Hall sensor berubah dari “101” ke “001” dan pola tegangan baru tercipta pada motor
brushless DC dimana phasa V sekarang tidak diberikan sinyal tetapi phasa W
yang sekarang terhubung ke netral ground (Q6), dan phasa U tetap di posisi terhubung ke positif melalui (Q1) dimana posisi vektor fluks stator (panah hijau) sekarang berada pada posisi yang ditunjukan gambar step 2.
Gambar 2.5 Perubahan komutasi motor step 3 dan step 4
Dengan mengacu pada gambar 2.5 dan Tabel 2.1, kita sekarang dapat menentukan switch (Q) mana saja yang aktif ketika phasa tertentu yang akan diberikan sinyal sehingga arah putaran rotor dapat terlihat. Pada step 3 phasa yang aktif adalah V-W yang artinya phasa V terhubung ke kutub positif melalui (Q3) dan phasa W terhubung ke netral ground melalui (Q6) sedangkan phasa U tidak diberikan sinyal sehingga posisi vektor fluks stator berada pada posisi tersebut. Lanjut ke step 4 phasa yang aktif adalah V-U yang artinya phasa V tetap terhubung ke kutub positif melalui (Q3) dan phasa U terhubung ke netral ground melalui (Q2) sedangkan phasa W tidak diberikan sinyal sehingga rotor terus berputar kearah fluks stator pada step 4.
Gambar 2.6 Perubahan komutasi motor step 5 dan step 6
Mengacu pada gambar 2.6 dan tabel 2.1, step 5 dan step 6 terlihat phasa lain lagi yang diberikan sinyal. Pada step 5 phasa yang diaktifkan adalah phasa W-U yang artinya phasa W terhubung ke kutub positif melalui (Q5) dan phasa U terhubung ke netral ground melalui (Q2) sedangkan phasa V tidak diberikan sinyal sehingga arah putaran rotor terus mengikuti arah vektor fluks stator yang dihasilkan. Pada step 6, terjadi proses yang sama dengan step-step sebelumnya, phasa yang diaktifkan adalah W-V yang artinya phasa W terhubung ke kutub positif melalui (Q5) dan phasa V terhubung ke netral ground melalui (Q4) sedangkan phasa U tidak diberikan sinyal dan selanjutnya proses putaran kembali lagi ke step 1. Itulah 6 langkah (step) putaran elektris motor BLDC untuk melakukan 1 putaran penuh mekanis motor BLDC.
Adapun bentuk gelombang pulsa yang dihasilkan dengan perubahan pada setiap putaran sudut ditunjukkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Gelombang Pulsa Sinyal Sensor Hall, Back EMF, Keluaran Torsi dan Fasa
2.1.2 Bagian – Bagian Motor Brushless DC
1. Kontroler, Driver dan Inverter
Kontroler, Driver dan Inverter merupakan bagian terpenting pada motor
brushless DC karena berfungsi sebagai pengendali dan penggerak putaran
pada motor tersebut. Kontroler, Driver dan Inverter merupakan komponen-komponen elektronik yang dirangkai menjadi satu kesatuan sistem dalam mengendalikan motor brushless DC. Pada kontroler komponen utamanya yaitu mikrokontroler, karena pengendaliannya berbasis mikrokontroler, maka digunakan mikrokontroler yang telah deprogram. Sedangkan pada driver, komponen utamanya yaitu gabungan dari beberapa MOSFET.
Kontroler berperan sebagai pengendali kecepatan putaran dengan cara mengatur kerja driver dan inverter. Driver berperan untuk switching pada motor brushless DC. Sedangkan inverter berperan sebagai pengubah tegangan DC menjadi tegangan AC dan akan diubah lagi ke DC untuk mensuplai driver.
Gambar 2.8 Penggerak elektronik daya untuk motor brushless DC
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 C1 A B C
SP PUTARAN
Gambar 2.9 Blok Diagram sistem kontroler dan driver pada motor BLDC
Berdasarkan kemampuan control power supply, bisa dipilih rating tegangan pada motor sesuai kebutuhan. Apabila motor yang digunakan memiliki rating tegangan sebesar 48 V atau kurang dari itu, biasanya digunakan untuk bidang otomotif atau bidang robotik. Sedangkan motor yang digunakan memiliki rating tegangan sebesar 100 V, biasanya motor tersebut digunakan di bidang industri.
Dalam melakukan perancangan atau pembuatan dari driver dan inverter sendiri, harus diperlukan pemilihan atau tipe dari MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor) yang tepat sesuai kebutuhan dari
motor yang akan dikendalikan. Pada kontroler juga programnya harus disesuaikan dengan motor. Selain MOSFET, dibutuhkan juga optocoupler yang berperan sebagai penghubung antara rangkaian daya dengan rangkaian kontrol, dan sebagai pengaman yang akan melindungi mikrokontroler dan MOSFET.
2. Stator
Stator merupakan bagian yang diam atau bersifat statis pada motor, yang berfungsi sebagai medan putar motor untuk memberikan gaya elektromagnetik pada rotor sehingga motor dapat berputar.
MIKROKONTROLER ( PWM ) VOLTAGE CONTROL / POWER DRIVER MOTOR ( PLANT ) SENSORS ( SPEED & ANGLE )
MOTOR BLDC
Gambar 2.10 Stator pada motor brushless DC
Pada motor brushless DC statornya terdiri dari 12 belitan ( Elektromagnet) yang bekerja secara elektromagnetik dimana stator pada motor brushless DC ini terhubung dengan tiga buah kabel yang masing-masing mewakili phasa untuk disambungkan pada rangkaian kontrol sedangkan pada motor DC konvensional statornya terdiri dari dua buah kutub magnet permanen.
Belitan stator pada motor brushless DC terdiri dua jenis, yaitu belitan stator jenis sinusoidal dan belitan stator jenis trapezoidal. Adapun yang menjadi dasar perbedaan kedua jenis belitan tersebut terletak pada hubungan antara koil dan belitan stator yang bertujuan untuk memberikan EMF (Electro
Motive Force) atau gaya gerak listrik yang berbeda.
EMF balik atau gaya gerak listrik balik itu sendiri adalah tegangan balik yang dihasilkan oleh belitan motor BLDC ketika motor BLDC tersebut berputar yang memiliki polaritas tegangan berlawanan arahnya dengan tegangan sumber yang dibangkitkan. Besarnya EMF balik dipengaruhi oleh kecepatan sudut putaran motor (ω), medan magnet yang dihasilkan rotor (B), dan banyaknya lilitan pada belitan stator (N) sehingga besarnya EMF balik dapat dihitung dengan persamaan :
EMF balik = B.N.l.r. ω ...( 2.1 )
Dimana :
B = Kerapatan medan magnet yang dihasilkan rotor (Tesla) N = Banyaknya lilitan pada belitan stator per phasa
l = Panjangnya batang rotor (m) r = Jari-jari dalam motor (m)
ω = Kecepatan sudut putaran motor (rad) (dimana ω = 2πf )
Ketika motor BLDC sudah dibuat pada jumlah lilitan stator dan besarnya medan magnet yang dihasilkan nilainya sudah dibuat konstan sehingga yang mempengaruhi besarnya EMF balik adalah besarnya kecepatan sudut yang dihasilkan motor, semakin besar kecepatan sudut yang dihasilkan maka semakin besar pula EMF balik yang dihasilkan oleh motor. Perubahan besarnya EMF balik ini mempengaruhi torsi motor brushless DC, apabila kecepatan motor yang dihasilkan melebihi kecepatan rata-rata, maka akan mengakibatkan EMF balik yang dihasilkan oleh motor lebih besar daripada tegangan potensial pada belitan stator sehingga arus yang mengalir pada stator akan turun dan torsi pun menjadi ikut turun pula. Hal tersebut dapat dibuktikan dengan persamaan rumus torsi pada motor brushless DC di bawah ini : T = K.Ф.Ia (Nm)………..( 2.2 ) Atau T = Kg/(m/s) (Nm)………...( 2.3 ) Atau T = P / ( n . 2π . 60 )……….( 2.4 ) Dimana : T = Torsi motor (Nm) K = Konstanta Persamaan Ф = Fluks magnet (Tesla) Ia = Arus jangkar (Ampere)
Kg = Berat Beban/Massa (kg) M/s = Kecepatan (M/s)
P = Daya Motor ( Watt ) n = Putaran Motor ( Rpm ) 2π = Omega ( ω )
Karena berbanding lurus dengan faktor-faktor lain yang mempengaruhi torsi maka kenaikan dan penurunan arus sangat berpengaruh pada besarnya torsi yang dihasilkan motor brushless DC. Selain itu, untuk mencari torsi melalui perbandingan antara berat dengan kecepatan, maka diperlukan konversi dari putaran menjadi kecepatan dengan menggunakan persamaan berikut ini. m/s = (π . d. Rpm) /60000 (m/s)………....( 2.5 ) Dimana : m/s = Kecepatan ( m/s ) d = Diameter motor ( mm ) Rpm = Putaran Motor
Untuk mengetahui torsi motor diperlukan fluks magnet. Kemudian untuk mengetahui fluks magnet pada suatu motor brushless DC bisa menggunakan persamaan berikut.
Ф = F / R atau Ф = F / ( l / µ . A ) (Wb)………( 2.6 ) Dimana :
Ф = Fluks Magnet (Wb)
F = Gaya gerak magnet (At (Ampere-turn) ) l = Panjang kumparan ( m )
µ = Permeabilitas dari bahan magnet ( Wb/At ) A = Luas penampang kumparan ( m2 )
Gambar 2.11 Bentuk EMF balik trapezoidal yang dihasilkan motor brushless DC
3. Rotor
Rotor merupakan bagian penting juga pada motor yang berfungsi untuk menggerakan atau membuat motor berputar. Perputaran tersebut terjadi akibat adanya gaya elektromagnetik yang dihasilkan oleh stator. Untuk mengetahui putaran pada motor, bisa menggunakan persamaan berikut ini.
n = V – ( Ia.Ra ) / K.Ф (Rpm)…...( 2.7 ) Dimana :
n = Putaran motor ( Rpm )
V = Tegangan Kerja Motor ( Volt ) Ia = Arus Jangkar ( A )
Ra = Tahanan Jangkar ( Ω ) K = Konstanta Motor
Ф = Fluks Medan Magnet ( Wb )
Rotor pada motor brushless DC berbeda dengan rotor pada motor DC konvensional. Pada motor DC konvensional rotornya tersusun dari 1 buah elektromagnet yang berada diantara brushes (sikat) yang terhubung pada 2 buah elektroda yang terangkai ke suplai DC. Sedangkan pada motor brushless
DC bagian rotornya tersusun dari 2 hingga 8 pasang kutub magnet permanen berbentuk persegi panjang yang saling direkatkan menggunakan semacam
“epoxy” dan tidak memiliki sikat.
Gambar 2.12 Rotor motor brushless DC
4. Axle
Axle atau sumbu adalah batang yang berfungsi sebagai sumbu putar motor,
terpusat pada rotor dan dirangkai bersama rotor.
Gambar 2.13 axle motor brushless DC
5. Sensor Hall
Sensor hall merupakan sensor yang berada pada motor brushless DC yang berfungsi untuk memberikan feedback (umpan balik) pada rangkaian kontrol yang bersifat elektronik yang akan mengendalikan perubahan komutasi pada motor brushless DC. Hal tersebut dikarenakan motor brushless DC bagian stator harus diberikan sinyal secara berurutan sesuai perubahan komutasi.
Pada bagian inilah peran dari sensor hall dibutuhkan untuk mendeteksi bagian koil atau phasa pada rotor yang telah diberikan sinyal oleh fluks magnet sehingga proses dari perubahan komutasi yang terdiri dari 6 step komutasi dapat dilakukan oleh stator dengan tepat karena sensor hall ini dipasang menempel pada stator.
Gambar 2.14 Posisi penempatan sensor hall
Sensor hall ini ditempatkan setiap 1200 pada jarak antar kutub stator. Hal ini bertujuan untuk hasil deteksi terhadap vektor fluks stator dapat akurat sehingga setiap perpindahan komutasi membuat arus yang mengalir tetap terjaga konstan pada setiap phasa.
Prinsip kerja sensor hall sendiri membutuhkan arus yang mengalir terus, jika dibutuhkan kerja sebagai pendeteksi fluks magnet.
Gambar 2.15 Prinsip kerja elemen hall
Jika garis putus-putus yang berada pada gambar 2.15 itu sebagai gambaran medan magnet, maka gaya elektromagnet dibuat atas dasar gerakan elektron seperti yang diberikan oleh kaidah tangan kiri fleming. Sewaktu daya elektron yang dibiaskan pada sisi kiri, akibatnya kutub negatif disisi kiri dan kutub positif disisi kanan. Polaritas elektrostatik bergantung pada yang dialami garis putus-putus apakah berkutub utara atau berkutub selatan, dan digunakan untuk menyatakan sinyal pada posisi rotor dalam batas polaritas magnet. Bila motor brushless DC menggunakan sensor hall sebagai sensor posisi atau kedudukan, maka dibutuhkan faktor atau elemen penting untung mendukung kerja dari sensor hall tersebut. Berhubung motor brushless DC yang akan dikendalikan berbasis mikrokontroler, maka dari sensor hall akan memberikan sinyal input kepada mikrokontroler agar mikrokontroler yang telah diprogram dapat bekerja mengendalikan motor brushless DC.
Untuk posisi dari sensor hall, telah dijelaskan pada bagian skema cara kerja motor brushless DC. Dan untuk mengetahui kedudukan atau posisi dari sensor hall, harus dilakukan dengan cara membuat program pada mikrokontroler melalui program tampilan LCD.
Gambar 2.16 sensor hall
2.1.3 Kelebihan Motor BLDC Dibandingkan Motor Brushed DC
Motor brushless DC mampu meminimalisir kekurangan pada motor
brushed DC. Adapun beberapa keunggulan atau kelebihan motor brushless
DC antara lain :
1. Jumlah elektromagnet pada stator banyak sehingga memungkinkan kontrol yamg lebih akurat.
2. Tidak akan mudah rusak pada sikat setelah lama pemakaiannya, karena tidak memiliki sikat.
3. Pendinginan pada motor lebih mudah karena posisi elektromagnet pada stator.
4. Tidak adanya snoring/electrical noise yaitu suara bising akibat gesekan celah udara antara sikat dengan rotor.
5. Karena tidak memiliki sikat, dan motor brushless DC bersifat komutasi elektrik, sehingga yang mengontrol perpindahan arus yaitu dengan mikrokontroler. Dengan demikian akan membuat perpindahan arus tersebut lebih akurat (presisi). Pada mikrokontroler juga dapat mengatur kecepatan motor, sehingga akan menjadi lebih efisien.
Sedangkan kelemahan atau kekurangan motor brushed DC dibandingkan dengan brushless DC antara lain :
1. Motor sikat apabila terlalu sering digunakan, lama kelamaan sikatnya akan rusak.
2. Karena sikat memutus dan menghubungkan antara sistem dengan motor, maka akan menimbulkan snoring/electrical noise.
3. Sikat pada motor membatasi kecepatan maksimum motor.
4. Sikat juga membatasi jumlah kutub magnet yang dapat diinstalasi.
5. Pendinginan motor lebih sulit, karena posisi elektromagnet berada di tengah-tengah rotor.
2.2 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)
MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field effect transistor) atau transistor efek medan, yang jauh berbeda dengan JFET (junction field effect) dan IGBT (insulated gate bipolar transistor).
Gambar 2.17 Klasifikasi FET
MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki konduktor, yaitu kaki pertama atau ujung atas dinamakan drain, kaki kedua ujung bawah dinamakan source, dan kaki ketiga dinamakan gate. Gate biasanya memiliki 1 atau dua buah kaki. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe bahan. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan yang lainnya secara internal dan dinamakan gate. Yang membedakan MOSFET dengan FET-FET lainnya terletak pada gate, karena gate pada MOSFET diisolasi oleh bahan metal oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti alumunium. Oleh karena itulah, transistor efek medan ini dinamakan
metal oxide semiconductor.
Gambar 2.18 Lambang MOSFET
MOSFET mempunyai impedansi input yang sangat tinggi. Harga dari sebuah MOSFET cukup tinggi, maka dari itu penggunaan MOSFET harus disesuaikan dengan kebutuhan yang sangat mendesak untuk sebuah alat.
Dalam pengemasan dan perakitan pada MOSFET, perlu diingat dan diperhatikan bahwa komponen ini tidak tahan terhadap elektrostatik. Untuk pengemasannya menggunakan kertas timah atau heatsync dan untuk pematriannya diusahakan menggunakan solder yang khusus untuk MOSFET.
2.2.1 Kurva Karakteristik MOSFET
Ada dua macam karakteristik yang bisa ditemukan pada MOSFET, yaitu karakteristik drain ID = f (VDS) (drain characteristics) dan karakteristik
transkonduktansi ID = f (VGS) (transconductace characteristics).
Gambar 2.19 Kurva karakteristik MOSFET
1. DrainCharacteristics
Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate to
source (VGS) konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain (ID)
terhadap tegangan drain to source (VDS).
Dari gambar 2.19 kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan gate to source (VGS) 3,5V sampai dengan
nilai tegangan VGS yang diuji sebesar 3,6V, biasanya pada MOSFET yang
difungsikan sebagai elektronik daya memiliki nilai VGS maksimal yang
berbeda-beda, sesuai dengan tipe atau seri MOSFET yang digunakan. Misalkan tipe atau seri MOSFET IRF540n memiliki nilai VGS maksimal
sebesar 20V. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari :
RDS(on) = VDS/IDS………..( 2.8 )
Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, maka ID akan naik. Dan
apabila VDS terus dinaikan, maka selanjutnya akan berada pada daerah
saturasi atau daerah jenuh. Jika keadaan saturasi telah tercapai, maka arus ID
akan konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena
jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak MOSFET itu sendiri.
Tujuan harus mengetahui DrainCharacteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VDS sama dengan
datasheet atau tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi
tentang proses pengosongan dan pengisian elektron pada MOSFET.
2. TransconductanceCharacteristics
Analisa kurva Transconductance dilakukan hampir sama dengan kurva
Drain yaitu dengan mencoba beberapa tegangan, akan tetapi perbedaannya
yaitu dibalik dengan mencoba beberapa tegangan drain to source (VDS)
dibuat konstan, sedangkan yang dibuat grafik yaitu hubungan antara arus
drain (ID) terhadap tegangan gate to source (VGS).
Dari gambar 2.19 kurva ini terlihat jelas bahwa pada transistor MOSFET berlaku semakin besar tegangan drain to source (VDS) maka semakin besar
pula arus drain yang dihasilkan. Selain itu, ada proses kenaikan arus drain (ID) dari tegangan threshold (Vth) atau tegangan minimum MOSFET
melakukan konduktansi sampai MOSFET mulai bekerja (ON) pada kondisi
tegangan gate to source (VGS) yang telah ditentukan dan kenaikan arus drain
(ID) akan menjadi konstan setelah mencapai kondisi MOSFET bekerja (ON).
Tujuan harus mengetahui Transconductance Characteristics sama seperti
drain characteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa
diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VGS sama dengan datasheet atau
tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi tentang proses terjadinya konduktansi pada gate elektron pada MOSFET.
2.2.2 Jenis-Jenis MOSFET
Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini.
1. MOSFET Depletion-mode
Gambar 2.20 menunjukkan struktur dari transistor jenis ini. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang
tidak lain adalah kaca.
Gambar 2.20 Struktur MOSFET depletion-mode
Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung singkat dengan source. Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika VGS = 0.
Dengan menghubung singkat subtrat p dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning.
Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET
depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET.
Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS
semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif.
Gambar 2.21 Penampang D-MOSFET (depletion-mode)
Struktur ini adalah penampang MOSFET depletion-mode yang dibuat di atas sebuah lempengan semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2 (kaca).
Dalam beberapa buku, transistor MOSFET depletion-mode disebut juga dengan nama D-MOSFET.
2. MOSFET Enhancement-mode
Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor ini adalah evolusi jenius berikutnya setelah penemuan MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode.
Perbedaan struktur yang mendasar adalah, subtrat pada transistor MOSFET
enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate.
Gambar 2.22 Struktur MOSFET enhancement-mode
Gambar 2.22 adalah transistor MOSFET enhancement mode kanal n. Jika tegangan gate VGS dibuat negatif, tentu saja arus elektron tidak dapat
mengalir. Juga ketika VGS=0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena
tidak ada lapisan deplesi maupun celah yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif. Karena subtrat
terhubung dengan source, maka jika tegangan gate positif berarti tegangan gate terhadap subtrat juga positif.
Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik ke arah subtrat p. Elektron-elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada subtrat p. Karena potensial gate lebih positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi subtrat yang berbatasan dengan gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju gate karena terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).
Jika tegangan gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan terbentuknya semacam lapisan n yang negatif dan seketika itulah arus drain dan source dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira terjemahannya adalah lapisan
dengan tipe yang berbalikan. Di sini karena subtratnya tipe p, maka lapisan
inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe n.
Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion n mulai terbentuk. Tegangan minimun ini disebut tegangan threshold VGS(th). Tegangan VGS(th)
oleh pabrik pembuat tertera di dalam datasheet.
Di sini letak perbedaan utama prinsip kerja transitor MOSFET
enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika pada tegangan VGS = 0 ,
transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan MOSFET adalah komponen normally OFF.
Transistor MOSFET enhacement mode dalam beberapa literatur disebut juga dengan nama E-MOSFET.
Gambar 2.23 Penampang E-MOSFET (enhancement-mode)
Gambar diatas adalah bagaimana transistor MOSFET enhancement-mode dibuat. Sama seperti MOSFET depletion-mode, tetapi perbedaannya disini tidak ada kanal yang menghubungkan drain dengan source. Kanal n akan terbentuk (enhanced) dengan memberi tegangan VGS diatas tegangan
threshold tertentu. Inilah struktur transistor yang paling banyak di terapkan
dalam IC digital.
Gambar 2.24 Kurva Karakteristik MOSFET D-Mode dan E-Mode
2.2.3 Simbol MOSFET
Garis putus-putus pada simbol transistor MOSFET menunjukkan struktur transistor yang terdiri drain, source dan subtrat serta gate yang terisolasi. Arah panah pada subtrat menunjukkan type lapisan yang terbentuk pada subtrat ketika transistor ON sekaligus menunjukkan type kanal transistor tersebut.
Gambar 2.25 Simbol MOSFET, (a) kanal-n (b) kanal-p
Kedua simbol di atas dapat digunakan untuk mengambarkan D-MOSFET maupun E-MOSFET.
2.2.4 Spesifikasi MOSFET
Untuk menggunakan MOSFET dan mengaplikasikannya ke dalam rangkaian yang akan dibuat, ada beberapa hal penting yang perlu diperhatikan. Pada deskripsi di bawah ini merupakan spesifikasi pada MOSFET yang perlu diperhatikan karena hal tersebut merupakan salah satu cara untuk melakukan pemilihan jenis MOSFET yang tepat untuk diterapkan pada rangkaian yang dibuat. Spesifikasi yang harus diperhatikan pada MOSFET adalah sebagai berikut :
1. VDS, yaitu nilai kemampuan tegangan pada MOSFET untuk menerima
tegangan drain to source atau tegangan keluaran.
2. IDS, yaitu nilai kemampuan arus pada MOSFET untuk mengalirkan arus
keluaran.
3. VGS, yaitu nilai kemampuan tegangan pada MOSFET untuk menerima
tegangan gate to source atau tegangan masukan.
4. RDS, yaitu nilai kemampuan resistansi pada MOSFET yang biasa didefinisikan
hasil perbandingan kerja antara VDS dengan ID, dan berfungsi untuk
mengurangi daya yang terbuang melalui disipasi panas.
5. PD, yaitu kemampuan pada MOSFET dalam menampung disipasi daya.
6. t seperti td(on), td(off),tr, tf, yaitu elemen-elemen switching time pada MOSFET
atau kemampuan kecepatan MOSFET untuk melakukan penyakelaran, dan biasanya pada MOSFET-MOSFET daya memiliki kemampuan untuk penyakelaran sampai sekian nano detik (ns).
Untuk spesifikasi pada MOSFET sebenarnya masih banyak lagi selain spesifikasi yang telah disebutkan diatas. Akan tetapi, spesifikasi-spesifikasi yang telah disebutkan diatas merupakan spesifikasi-spesifikasi-spesifikasi-spesifikasi yang harus diperhatikan karena spesifikasi-spesifikasi tersebut biasanya berbeda-beda dengan jenis MOSFET yang berbeda juga.
2.2.5 Keunggulan MOSFET
Pemilihan komponen FET ( Field Effect Transistor) dengan menggunakan MOSFET karena memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan FET-FET lainnya, yaitu :
1. Terminal gate MOSFET secara elektrik terisolasi dari sumber oleh lapisan oksida, sehingga MOSFET mempunyai impedansi masukan yang sangat tinggi, sehingga tidak akan membebani rangkaian sebelumnya dan tidak memerlukan rangkaian driver yang rumit untuk terminal gate.
2. Kecapatan switchingnya sangat tinggi, dalam orde nano detik, sehingga rugi-rugi akibat aksi switching dapat dibuat sekecil mungkin.
3. Sangat cocok digunakan untuk aplikasi rangkaian yang menggunakan tegangan rendah.
4. MOSFET tidak memerlukan interface berupa rangkaian buffer apabila dihubungkan dengan rangkaian logika.
2.2.6 Mengetes Kondisi MOSFET
Untuk menentukan kondisi dan jenis MOSFET dilakukan dengan cara menggunakan ohmmeter. Ohmmeter yang digunakan diutamakan analog agar lebih akurat dalam mengecek kondisi MOSFET. Putar ohmmeter pada posisi x1, kemudian ukur atau letakkan terminal positif dan negatif ke kaki-kaki MOSFET dengan parameter sesuai tabel 2.2.
Tabel 2.2 Parameter Kondisi Baik MOSFET tipe-n
No Kaki G Terminal (+) Kaki D Terminal (+) Kaki S Terminal (+) Kaki G Terminal (-) Kaki D Terminal (-) Kaki S Terminal (-) Kondisi 1 v - - - V - OFF 2 v - - - - v OFF 3 - v - v - - OFF 4 - - v v - - OFF 5 - v - - - v OFF 6 - - v - V - ON
Untuk MOSFET tipe-p parameternya sama dengan tipe-n akan tetapi yang membedakannya yaitu ketika terminal positif pada kaki D dan terminal negatif pada kaki S, kondisinya ON (jarum ohmmeter menyimpang). Sedangkan ketika sebaliknya, kondisinya OFF (tidak menyimpang). Apabila ketika pengecekan MOSFET tidak sesuai dengan parameter tersebut, maka kondisi MOSFET tersebut rusak.
2.3 Integrated Circuit (IC)
Integrated circuit adalah suatu rangkaian elektronik yang dikemas menjadi
satu kemasan yang kecil. Beberapa rangkaian elektronik yang besar dapat diintegrasikan menjadi satu dan dikemas dalam kemasan yang kecil. Suatu IC yang kecil dapat memuat retusan bahkan ribuan komponen elektronik.
Gambar 2.26 Beberapa contoh IC
Bentuk dari IC bermacam-macam. Ada yang berbentuk persegi, lingkaran, dip, dan lain-lain. IC ada yang memiliki kaki 3, ada juga yang memiliki kaki banyak atau lebih dari 3.
Bentuk IC ada juga yang menyerupai sisir (single in line), bentuk lain adalah segi empat dengan kaki-kaki berada pada keempat sisinya. Akan tetapi, kebanyakan IC berbentuk dual in line. IC yang berbentuk bulat dan
dual in line biasanya kaki-kakinya diberi nomor urut dengan urutan sesuai
arah jarum jam, kaki nomor satu diberi tanda titik.
Gambar 2.27 IC single in line
Gambar 2.28 IC dual in line
Setiap IC ditandai dengan nomor tipe. Nomor ini biasanya untuk menunjukkan IC. Jadi jika nomornya ada yang sama maka fungsi dari IC juga sama, dan kode lain menunjukan pabrikan dari IC.
Ada banyak jenis-jenis IC beserta fungsi-fungsinya yang berbeda-beda. Salah satunya yaitu ada IC yang berfungsi sebagai penstabil tegangan DC. IC tersebut adalah IC Regulator.
Sebuah sistem elektronik tidak akan bisa beroperasi tanpa sumber tegangan (Power Supply). Sumber tegangan tersebut dapat berupa sumber
tegangan AC (Alternative Current) atau DC (Direct Current) dimana besar kecilnya daya output harus stabil dan harus disesuaikan dengan kebutuhan. Misalnya IC TTL membutuhkan tegaganan DC stabil 5 Volt, IC CMOS membutuhkan tegangan DC stabil 12 Volt, Zilog 80 membutuhkan tegangan DC stabil 5 Volt, dan sebagainya.
IC Regulator yang bisa diaplikasikan untuk permasalahan yang di atas. Ada beberapa jenis pada IC Regulator tegangan, antara lain :
1. IC 7805 untuk menstabilakn tegangan DC +5 Volt 2. IC 7809 untuk menstabilakn tegangan DC +9 Volt 3. IC 7812 untuk menstabilakn tegangan DC +12 Volt 4. IC 7824 untuk menstabilakn tegangan DC +24 Volt 5. IC 7905 untuk menstabilakn tegangan DC -5 Volt 6. IC 7909 untuk menstabilakn tegangan DC -9 Volt 7. IC 7912 untuk menstabilakn tegangan DC -12 Volt 8. IC 7924 untuk menstabilakn tegangan DC -24 Volt
2.4 Optocoupler
Optocoupler merupakan gabungan dari LED infra merah dengan fototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Cahaya infra merah termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata telanjang. Optocoupler juga merupakan salah satu jenis komponen yang memanfaatkan sinar sebagai pemicu on/off-nya. Opto berarti optik dan
coupler berarti pemicu. Sehingga bisa diartikan bahwa optocoupler
merupakan suatu komponen yang bekerja berdasarkan picu cahaya optik
optocoupler termasuk dalam sensor. Optocoupler berfungsi sebagai penghubung antara rangkaian kontrol dengan rangkaian daya, penghubung disini berarti sebagai pengaman. Jadi, apabila terjadi gangguan atau tegangan tinggi yang masuk pada rangkaian daya atau rangkaian kontrol maka yang
akan rusak adalah komponen optocoupler ini, bukan komponen yang berada
pada rangkaian daya maupun pada rangkaian kontrol. Sehingga optocoupler disini bisa dikatakan sebagai pengaman rangkaian.
Gambar 2.29 Optocoupler
Optocoupler memiliki dua bagian penting yang membuat komponen ini
bekerja sesuai fungsinya, yaitu : 1. Transmitter
Pada transmitter dibangun dari sebuah LED (Light Emitting Diode) infra merah. Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra merah tidak terlihat oleh mata telanjang.
2. Receiver
Pada bagian receiver dibangun dengan dasar komponen photodiode.
Photodiode merupakan suatu transistor yang peka terhadap cahaya. Suatu
sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan spektrum infra merah, karena spektrum infra menpunyai efek panas yang lebi besar dari cahaya tampak, maka photodiode lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra merah. Selain photodiode, pada receiver terdapat operational
amplifier, resistor dan hubungan transistor.
Ditinjau dari kegunaan fisik optocoupler dapat berbentuk bermacam-macam. Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi transmitter dan sisi receiver, maka optocoupler ini bisasanya dibuat dalam bentuk solid (tidak ada ruang antara LED dan Photodiode). Sehingga sinyal listrik yang ada pada input dan output akan terisolasi. Dengan kata lain
optocoupler ini di gunakan sebagai optosilator jenis IC.
Gambar 2.30 Skema optocoupler TLP250
Arus forward (IF) dan tegangan forward (VF) merupakan arus maju dan
tegangan maju yang berasal dari rangkaian kontrol dan masuk pada bagian
transmitter, karena arus maju dan tegangan maju masuk ke LED infra merah
untuk memancarkan cahaya yang tidak terlihat oleh mata telanjang.
Pancaran dari LED infra merah akan diterima oleh receiver yang berupa
photodiode dan diteruskan menuju operational amplifier. Dari op-amp
diteruskan lagi menuju transistor yang dihubungkan direct transistor dan menghasilkan tegangan keluaran (VO) untuk disalurkan menuju rangkaian
daya. Agar membuat optocoupler ini aktif, maka diperlukan suplai tegangan (VCC) sebesar tegangan yang dibutuhkan optocoupler sesuai seri atau tipe dari
optocoupler.
Untuk menggunakan optocoupler diperlukan kapasitor sebesar 0,1 mikrofarad dan dipasang diantara VCC dengan ground.
2.5 Accumulator ( Baterai )
Baterai adalah suatu alat elektrokimia yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi kimia kelistrikan. Baterai ataupun
accumulator menghasilkan tegangan DC yang biasanya digunakan untuk
membuat peralatan elektronik ataupun komponen berbahan semikonduktor bekerja sesuai fungsinya setelah diberikan suplai DC. Pada umumnya, yang dikenal masyarakat baterai berukuran kecil dan biasa digunakan untuk remote TV, jam, robot-robotan dan sebagainya. sedangkan aki atau accumulator berukuran besar dan digunakan pada kendaraan bermotor untuk menyalakan lampu, tape, dan sebagainya. Padahal, Aki maupun baterai sama saja baterai dan sama-sama menghasilkan tegangan DC.
2.5.1 Jenis-Jenis Baterai
Baterai yang banyak digunakan pada kendaraan adalah tipe sel sekunder
(storage battery atau galvanic battery) yang memungkinkan untuk dapat
mengeluarkan dan mengisi muatan lisriknya kembali. Adapun jenis-jenis baterai pada sel sekunder, antara lain :
1. Lead-acid battery
Jenis baterai ini terdiri atas lead peroxide sebagai plat anoda positif,
discharge lead sebagai plat katoda negatif dan larutan sebagai elektrolit.
Kelebihan dari baterai lead-acid antara lain :
a. Tingkat bahayanya lebih sedikit dibandingkan dengan jenis lainnya karena reaksi kimianya terjadi dalam temperatur ruangan.
b. Dapat diandalkan dan harganya relatif murah. Kekurangan dari baterai lead-acid antara lain :
a. Energinya lebih rendah dari jenis baterai yang lainnya. b. Umurnya kurang tahan lama.
c. Pengisian kembalinya lama.
2. Alkali battery
Jenis baterai ini memiliki dua jenis baterai alkali yaitu baterai Ni-Fe dan baterai Ni-Cd.
Kelebihan dari baterai Alkali battery antara lain :
a. Tahan terhadap beban berat seperti over charging, over
discharging dan tahan lama.
b. Mempunyai performa yang baik. c. Usianya tahan lama (10-20 tahun). d. Waktu pengisiannya cepat.
Kekurangan dari baterai Alkali battery antara lain :
a. Energinya lebih rendah dari jenis baterai yang lainnya. b. Biaya metal yang digunakan untuk elektroda sangat mahal. c. Sulit untuk diproduksi massal.
2.5.2 Spesifikasi Baterai Atau Aki
Untuk menggunakan accumulator atau baterai, hal yang perlu diketahui adalah spesifikasi aki atau baterai yang akan digunakan. Adapun spesifikasi baterai atau aki adalah sebagai berikut :
1. Voltase
2. Ampere Hour (Ah) 3. Berat dan ukuran aki
2.5.3 Pengisian dan Pengosongan Baterai Atau Aki
1. Proses Pengosongan Akumulator
Pada saat akumulator digunakan, terjadi perubahan energi kimia menjadi energi listrik dan terjadi perubahan anode, katode dan elektrolitnya. Pada anode terjadi perubahan yaitu timbal dioksida (PbO2) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Perubahan yang terjadi pada katode adalah timbal murni (Pb) menjadi timbal sulfat (PbSO4). Adapun pada larutan elektrolit terjadi perubahan, yaitu asam sulfat pekat menjadi encer, karena pada pengosongan akumulator terbentuk air (H2O). Susunan akumulator adalah sebagai berikut .
Kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbO2), Kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (Pb), Larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) dengan kepekatan 30%.
Ketika akumulator digunakan, terjadi reaksi antara larutan elektrolit dengan timbal dioksida dan timbal murni sehingga menghasilkan elektron dan air. Reaksi kimia pada akumulator yang dikosongkan adalah sebagai berikut.
Pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
Pada anode: PbO2 + 2H+ + 2e + H2SO4 →PbSO4+2H2O Pada katode : Pb + SO 42 → PbSO4
Pada saat akumulator digunakan, baik anode maupun katode perlahan - lahan akan berubah menjadi timbal sulfat (PbSO4). Jika hal itu terjadi, maka kedua kutubnya memiliki potensial sama dan arus listrik berhenti mengalir. Terbentuknya air pada reaksi kimia menyebabkan kepekatan asam sulfat berkurang, sehingga mengurangi massa jenisnya. Keadaan ini dikatakan akumulator kosong (habis).
2. Proses Pengisian Akumulator
Akumulator termasuk elemen sekunder, sehingga setelah habis dapat diisi kembali. Pengisian akumulator sering disebut penyetruman akumulator. Pada saat penyetruman akumulator terjadi perubahan energi listrik menjadi energi kimia. Perubahan yang terjadi pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal dioksida (PbO2). Perubahan pada anode, yaitu timbal sulfat (PbSO4) berubah menjadi timbal murni (Pb). Kepekatan asam sulfat akan berubah dari encer menjadi pekat, karena ketika akumulator disetrum terjadi penguapan air.
Untuk menyetrum akumulator diperlukan sumber tegangan DC lain yang memiliki beda potensial yang lebih besar. Misalnya akumulator 6 volt kosong harus disetrum dengan sumber arus yang tegangannya lebih dari 6 volt.
Kutub-kutub akumulator dihubungkan dengan kutub sumber tegangan. Kutub positif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub positif akumulator. Adapun, kutub negatif sumber tegangan dihubungkan dengan kutub negatif akumulator. Rangkaian ini menyebabkan aliran elektron sumber tegangan DC berlawanan dengan arah aliran elektron akumulator.
Elektron-elektron pada akumulator dipaksa kembali ke elektrode akumulator semula, sehingga dapat membalik reaksi kimia pada kedua elektrodenya. Agar hasil penyetruman akumulator lebih baik, maka arus yang digunakan untuk mengisi kecil dan waktu pengisian lama. Besarnya arus listrik diatur dengan reostat. Pada saat pengisian terjadi penguapan asam sulfat, sehingga menambah kepekatan asam sulfat dan permukaan asam sulfat turun. Oleh sebab itu, perlu ditambah air akumulator kembali.
Susunan akumulator yang akan disetrum (diisi) dalam keadaan masih kosong, yaitu kutub positif (anode) terbuat dari timbal dioksida (PbSO4), kutub negatif (katode) terbuat dari timbal murni (PbSO4), dan larutan elektrolit terbuat dari asam sulfat (H2SO4) encer.
Reaksi kimia saat akumulator diisi, yaitu :
pada elektrolit : H2SO4 →2H+ + SO4 2–
pada anode : PbSO4 + SO4 2– + 2H2O→ PbO2 + 2H2SO4 pada katode: PbSO4 + 2H+ → Pb + H2SO4
Jadi, saat penyetruman akumulator pada prinsipnya mengubah anode dan katode yang berupa timbal sulfat (PbSO4) menjadi timbal dioksida (PbO2) dan timbal murni (Pb).
2.5.4 Perhitungan Penggunaan Baterai Atau Aki
Kapasitas aki ditentukan dengan satuan Ampere-hour atau diringkas dengan satuan Ah, yaitu ukuran besarnya daya simpan aki. Tegangan DC aki yang berstandar 6V, 9V, 12V, 24V dan 48V adalah sangat umum sekali di pasaran.
Untuk menentukan berapa buah aki yang dibutuhkan untuk menyimpan arus yang disalurkan ke beban, maka perlu diketahui bahwa besarnya beban dan jenis aki yang dipilih. Untuk tujuan perhitungan, bisa menggunakan contoh perhitungan seperti di bawah ini :
Misalkan : Total Beban Digunakan = 1200 Watt-jam/hari Diketahui : Jenis Voltase Aki yang akan dipakai = 12V
Maka aki yang dibutuhkan harus dengan spesifikasi Ah seperti berikut :
Total Kapasitas Aki = P/V = 1200/12V = 100Ah
Jumlah Aki yang diperlukan = 1 buah Aki (berkapasitas 12V, 100Ah)
Jika hanya 1 buah aki yang diterapkan, hal ini berarti aki tunggal ini akan habis dayanya setelah dipakai 24 jam tanpa pengisian. Apabila membutuhkan suplai energi arus DC yang tidak boleh berhenti atau kosong untuk mensuplai beban, maka harus dilakukan kapasitas bank aki yang perlu ditingkatkan. Dengan cara menambah kapasitas bank aki dan meningkatkan 2 kali lipat kapasitas aki, yaitu menjadi 2 buah aki (12V, 100Ah).
2.6 PWM ( Pulse Width Modulation )
Pulse Width Modulation (PWM) adalah suatu metode yang cukup efektif
untuk mengendalikan kecepatan motor DC. PWM ini bekerja dengan cara membuat gelombang persegi atau kotak yang memiliki perbandingan pulsa high terhadap pulsa low tertentu, biasanya diskalakan dari 0 hingga 100%. Gelombang persegi ini memiliki frekuensi tetap namun lebar pulsa high dan low dalam 1 periode yang akan diatur. Perbandingan pulsa high terhadap low ini akan menentukan jumlah daya yang diberikan ke motor DC.
Untuk menjalankan motor DC dengan PWM tidak dapat digunakan relay, melainkan harus digunakan rangkaian driver motor DC lainnya. Rangkaian driver ini bisa menggunakan kombinasi rangkaian full bridge atau half bridge menggunakan transistor atau MOSFET.
Gambar 2.31 Bentuk gelombang PWM
Cara pengaturan kecepatan dengan menggunakan teknik PWM (Pulse
Width Modulation) yang merupakan salah satu teknik untuk mengatur
kecepatan motor DC yang umum digunakan. Dengan menggunakan PWM kita dapat mengatur kecepatan yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan motor adalah pengaturan kecepatan motor dengan cara merubah-rubah besarnya duty cycle pulsa. Pulsa yang yang berubah ubah duty cycle-nya inilah yang menentukan kecepatan motor. Besarnya amplitudo dan frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya
duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, semakin
besar duty cylce maka semakin cepat pula kecepatan motor, dan sebaliknya semakin kecil duty cycle maka semakin pelan pula kecepatan motor. Duty
cycle adalah kondisi ketika pulsa berada di puncak gelombang atau pada posisi ON dalam satu periode.
Sebagai contoh bentuk pulsa yang dikirimkan adalah seperti pada gambar 2.43 pulsa kotak dengan duty cycle pulsa 10%, 50% dan 90%.
Gambar 2.32 Duty cycle 10%, 50% dan 90%
Semakin besar duty cycle pulsa kotak, maka semakin lama pula posisi logika high. Jika motor diatur agar berjalan ketika diberi logika high, maka jika memberi pulsa seperti pada gambar 2.43 diatas, maka motor akan berada pada kondisi “nyala-mati-nyala-mati” sesuai dengan bentuk pulsa tersesebut. Semakin lama motor berada pada kondisi “nyala” maka semakin cepat pula kecepatan motor tersebut. Motor akan berputar dengan kecepatan maksimum jika mendapat pulsa dengan duty cycle 100%. Dengan kata lain motor mendapat logika high terus menerus. Duty cycle pada PWM dapat dinyatakan sebagai berikut :
Ton
DUTY CYCLE = x100%...Persamaan 2.9 Ton+Toff
Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 48V, maka motor akan mendapat tegangan 48V. pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total tegangan yang ada yaitu 24V, begitu seterusnya.
Dengan mengatur besarnya duty cycle pulsa kotak yang dikirimkan, kita dapat mengatur banyaknya logika high yang diberikan pada motor, dengan kata lain mengatur lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa. Jika lamanya waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa ini berubah maka kecepatan purtaran motor juga akan berubah, sesuai dengan
duty cycle atau waktu motor untuk berputar dalam satu periode pulsa.
2.7 Penggerak Elektronik Daya (Driver)
Penggerak elektronik daya atau biasa disebut dengan driver merupakan suatu rangkaian sistem elektronik yang berfungsi untuk menggerakkan motor listrik DC. Komponen utama pada driver ini merupakan solid state yang berfungsi sebagai switching atau penyakelaran. Transistor yang digunakan untuk motor listrik DC ini bukan transistor biasa, akan tetapi biasanya menggunakan transistor-transistor daya seperti MOSFET (metal oxide
semiconductor field effect transistor), IGBT (insulated gate bipolar
transistor), dan sebagainya.
Gambar 2.33 Rangkaian Full Bridge
Pada proyek akhir ini merupakan penggerak elektronik daya untuk motor
brushless DC, sehingga rangkaian yang digunakan adalah rangkaian full
bridge dengan menggunakan 6 buah transistor daya elektromagnetik
MOSFET.
Cara kerja dari driver full bridge motor brushless DC ialah hanya mengatur switching time pada 6 buah MOSFET secara bergiliran sesuai dengan tahapan yang dibutuhkan oleh motor brushless DC. Untuk mengatur waktu penyakelaran tersebut menggunakan mikrokontroler.
