Kemampuan Induktansi pada Material Inti Logam Induktor Besi Cor ASTM A48, Nichrome dan Monel Alloy 400 Terhadap
Variasi Input Listrik dan Lilitan
Vera Pangni Fahriani1*, Reza Setiawan2, Suciani Rahma Pertiwi3
1Prodi Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang, Karawang
2Prodi S1 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang, Karawang
3Prodi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang, Karawang
*Koresponden email: vera.pangni@ft.unsika.ac.id
Diterima: 20 Desember 2020 Disetujui: 1 Januari 2021
Abstract
Inductor with a metal core is a component which is almost always present in the daily electronic device known to us . To further prove the potential of the proposed new metalcore material, it is necessary to test the voltage variation, winding, and frequency in the inductor with the newly proposed metallic core material. The research method uses experimental methods. Three basic metal materials were used in the experiment, those are Cast Iron ASTM A48 (C 3.4%, Mn 0.5%, Si 1.8%,), Nicromine (Ni 80%, Cr 20%), Monel Alloy 400 (Ni 63%, Cu 31.7%, C 0.3%, Fe 2.5%, Si 0.5%, Mn 2%, S 0.024%). Experimental tests on these new types of metal were also carried out under various stress, winding, and working frequency conditions. The voltage variation selected is 4.5 V - 24 V, the winding variations and frequencies selected are 150 to 1000 turns and 50 Hz. The greatest inductance was obtained from ASTM A48, Fe, Monel Alloy 400, Nikromic, and without metallic core on the specified indicator variables. As the voltage increases and the number of turns increases, the inductance value increases.
Keywords: inductor, metalcore, voltage, winding, inductance
Abstrak
Induktor dengan inti logam merupakan komponen yang hampir selalu ada pada benda elektronik sehari- hari yang kita kenal. Untuk membuktikan potensi material inti logam baru yang diusulkan, dilakukan pengujian variasi tegangan, lilitan dan frekuensi pada induktor dengan material inti logam baru yang diusulkan dengan metode penelitian eksperimen. Tiga material inti logam yang digunakan dalam percobaan yaitu Besi Cor ASTM A48 (C 3,4%, Mn 0.5%, Si 1,8%), Nikrom (Ni 80 %, Cr 20%), paduan Monel Alloy 400 (Ni 63%, Cu 31.7%, C 0.3%, Fe 2.5%, Si 0.5%, Mn 2%, S 0.024%). Uji eksperimental pada jenis logam baru ini juga dilakukan dalam berbagai kondisi tegangan, lilitan, dan frekuensi kerja.
Variasi tegangan yang dipilih adalah 4,5 V - 24 V, variasi lilitan dan frekuenis yang dipilih adalah 150 - 1000 lilitan dan 50 Hz. Induktansi terbesar diperoleh dari material ASTM A48, Fe, Monel Alloy 400, Nikrom dan tanpa inti logam pada variabel indikator yang ditentukan. Dengan kenaikan tegangan dan jumlah lilitan menyebabkan nilai induktansi meningkat.
Kata Kunci: induktor, inti logam, tegangan, lilitan, induktansi
1. Pendahuluan
Kumparan diperoleh dari induktor yang dibuat oleh kawat penghantar, Diode induksi Faraday pada lilitan menyebabkan kuatnya medan magnet di dalam kumparan [1]. Arus menimbulkan variasi pada medan magnet yang berbasis elemen dinamik yang merupakan induktor. Induktor yang sudah ada dililitkan kawat konduktor pada inti logam yang berbahan magnetik atau tanpa inti (berinti udara) [2].
Pada induktor energi disimpan sesuai dengan ukuran L dan arus yang dilaluinya dalam medan magnet.
[3]. Pada induktor terdapat inti logam yang biasa terbuat dari bahan feromagnetik. Penambahan inti feromagnetik medan magnet semakin meningkat serta tetap menjaganya dekat pada induktor selain itu juga akan meningkatkan induktansi induktor. Adanya pergerakan muatan listrik (arus listrik) pada bahan magnetik memunculkan sebuah besaran yang disebut medan magnet. Simbol dari kekuatan medan magnet adalah H dengan satuan Ampere per meter [4]. Material feromagnetik mampu mempertahankan sifat kemagnetannya meskipun magnet luarnya telah hilang serta memiliki nilai suscepbilitas magnetik besar bernilai positif [5]. Arus listrik menimbulkan induksi magnet yang direspon oleh bahan ketika bahan memperoleh medan magnet. Material feromagnetik memiliki nilai suscepbilitas magnetik yang
besar dan bernilai positif. Fe dan Ni merupakan bahan feromagnetik [6]. Magnetik dengan koil inti Fe memiliki nilai besar dibandingkan koil tanpa inti [7]. Logam paduan yang mengandung unsur Fe dan Ni menunjukan nilai induktansi yang besar sebagai inti logam induktor [8]. Besi dan nikel memiliki sifat kemagnetan yang sangat baik sehingga menjadi paduan yang sangat penting. Berdasarkan penelitian Citra [9] bahwa bahan yang mengandung logam besi (Fe) akan bersifat feromagnetik, yaitu bahan yang memiliki medan magnet atomis resultannya besar dan bersifat magnet permanen. Sedangkan Nikel (Ni) memliki sifat yang tahan korosi, dan struktur yang kuat [10].
Sebuah induktor apabila dicatu dengan tegangan bolak-balik sinusoidal maka akan mengalir arus yang tertinggal sebesar 900 terhadap tegangan. Arus yang terjadi merupakan arus bolak-balik yang disebut dengan rangkaian induktif murni. Secara periodik energi dalam medan magnet pada induktor disimpan dan dilepaskan. Tegangan sinusoidal dapat dituliskan sebagai berikut [11].
V = Vm Sin ɷt……….…(1) ɷ = 2 π f……….……..(2) Beberapa karakteristik yang mempengaruhi efisiensi kerja induktor adalah [12]: (1) Dimensi bahan.
Semakin besar ukuran induktor yang dibuat maka nilai induktansi yang diperoleh semakin bertambah, sehingga kemampuan induktor untuk menyimpan energi listrik semakin meningkat; (2) Permeabilitas bahan. Dengan bahan yang mempunyai nilai permeabilitas tinggi maka kita dapat membuat induktor dengan nilai induktansi yang cukup besar; (3) Jumlah lilitan. Dengan memperbanyak jumlah lilitan, kita dapat membuat induktor dengan nilai induktansi yang cukup besar. Namun demikian, perlu diperhatikan bahwa bertambahnya jumlah lilitan maka resistansi dalam induktor juga naik.
Dengan memperbanyak jumlah lilitan, kita dapat membuat induktor dengan nilai induktansi yang cukup besar. Namun demikian, perlu diperhatikan bahwa bertambahnya jumlah lilitan maka resistansi dalam induktor juga naik [13]. Koil atau kumparan dibentuk dengan cara melilitkan kawat tembaga.
Kemudian dialiri arus listrik sehingga setiap lilitan akan saling menginduksi membentuk medan listrik yang segaris dan kuat. Berdasarkan teori medan magnet, elemen yang dapat menyimpan energi magnetik disebut induktor, yang dijelaskan dengan adanya tegangan emf (electromotive force) jika induktor dialiri listrik. Tegangan emf dapat ditulis.
L = 𝑁Ø
𝑖 ………...(3)
Adanya peningkatan frekuensi serta nilai induktansi induktor menyebabkan naiknya reaktansi induktif. Begitu pula sebaliknya ketika penurunan frekuensi arus AC serta nilai induktansinya maka reaktansi induktor akan menurun. Secara sistematis dapat ditulis dalam persamaan (4). Dari informasi yang didapat bahwa tegangan yang bekerja, jumlah lilitan mempengaruhi performa induktansi induktor.
XL= ɷL = 2πfL ………...(4) Pengukuran suseptibilitas dan permeabilitas bahan dilakukan dengan prinsip resonansi rangkaian RLC dengan induktor selenoida. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa tembaga merupakan bahan diamagnetik, aluminium termasuk bahan paramagnetik dan besi termasuk bahan ferromagnetik [14].
Selain itu dalam perkembangannya, induktor berperan penting terhadap perkembangan pembuatan konverter [15].
2. Metode Penelitian
Metode penelitian menggunakan metoda eksperimen. Alur penelitian ini dapat dijelaskan pada flowchart model penelitian Gambar 1.
Gambar 1. Alur model penelitian yang dilakukan Sumber: Rancangan peneliti, 2020
Eksperimen dilakukan terhadap variabel-variabel yang ditentukan yakni tegangan dan jumlah lilitan. Variabel tersebut dapat dijelaskan pada Tabel 1.
Tabel 1. Variabel penelitian Bahan Inti
Logam/ Kondisi Kerja
Besi Cor ASTM A48 (C 3,4%, Mn 0.5%, Si
1,8%)
Nikel-Krom (Ni 80%, Cr 20%)
Monel Alloy 400 (Ni 63%, Cu 31.7%, C 0.3%, Fe 2.5%, Si 0.5%, Mn 2%, S
0.024%)
Tegangan (V) 4,5; 6; 7,5; 9; 12; 15; 18; 24 4,5; 6; 7,5; 9; 12; 15; 18; 24 4,5; 6; 7,5; 9; 12; 15; 18; 24
Jumlah Lilitan 150, 500, 1.000 150, 500, 1.000 150, 500, 1.000
Frekuensi (Hz) 50 50 50
Sumber: Variabel hasil penelitian, 2020
Pengamatan dari data eksperimen terhadap beberapa material inti logam baru yang diusulkan dan rentang kondisi tegangan kerja dicatat sebagai teknik pengumpulan data, jumlah lilitan induktor dan frekuensi kerja yang sering terjadi. Data tersebut digunakan untuk menghitung induktansi induktor yang dihasilkan oleh variabel-variabel tersebut dijadikan data awal untuk membuat grafik hubungan antara kemampuan induktansi induktor berbagai bahan inti logam induktor yang diusulkan terhadap kondisi tegangan kerja, jumlah lilitan induktor dan frekuensi kerja yang diuji coba. Data diambil dari rangkaian elektronik yang dirancang untuk dapat mengukur kemampuan induktansi induktor yang terjadi.
Rangkaian elektronik sebagai set up alat pengambilan data terlihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian set up rangkaian elektronik untuk mengukur induktansi induktor Sumber: [16]
3. Hasil dan Diskusi
Data induktansi induktor diperoleh dari hasil penelitian. Material yang digunakan sebagai inti logam induktor selain Besi Cor ASTM A48 (C 3,4%, Mn 0,5%, Si 1,8%), Nikrom (Ni 80%, Cr 20%), Monel Alloy 400 (Ni 63%, Cu 31,7%, C 0,3%, Fe 2,5%, Si 0,5%, Mn 2%, S 0,024%) juga besi (Fe).
Perbandingan tersebut dilakukan pada masing-masing inti logam pada berbagai tegangan, lilitan dan frekuensi. Berikut perbandingan variasi inti logam dan jumlah lilitan terhadap induktansi pada tegangan input dan frekuensi 50 Hz dapat dilihat pada Gambar 3.
(a) Tegangan input 4,5 V (b) Tegangan input 6 V
(c) Tegangan input 7,5 V (d) Tegangan input 9 V
(e) Tegangan input 12 V (f) Tegangan input 15 V
(g) Tegangan input 18 V (h) Tegangan input 24 V
Gambar 3. Perbandingan variasi inti logam dan jumlah lilitan terhadap induktansi pada tegangan input dengan frekuensi 50 Hz
Sumber: Hasil penelitian, 2020
Berdasarkan Gambar 3 dapat dilihat bahwa nilai induktansi dengan inti logam ASTM A48 memiliki induktansi tertinggi dibandingkan dengan inti logam lainnya. Hal tersebut didapat disemua kondisi pada berbagai tegangan dan lilitan. Pada kondisi tegangan 4,5 V di berbagai jumlah lilitan, Besi Cor ASTM A48 memiliki induktansi induktor paling besar. Kemudian diikuti dengan induktansi pada inti logam menggunakan Fe. Selisih antara induktansi pada inti logam ASTM A48 dengan Fe hanya 0,066 Ω.
Induktor dengan inti logam ASTM A48 memiliki induktansi paling besar dikarenakan selain terdapat Fe juga terdapat unsur lain seperti C 3,4%, Si 1,8%, Mn 0,5% yang dapat meningkatkan sifat magnetik dari logam. Fe merupakan logam yang bersifat feromagnetik yaitu bahan yang memiliki resultan medan magnet atomis besar dan bersifat permanen [9].
Nikrom dan monel memiliki nilai induktansi yang hampir sama pada berbagai lilitan dan tegangan.
Pada lilitan 150 dan 500 nilai induktansi dengan inti logam nikrom dan monel lebih tinggi dibandingkan dengan tanpa inti logam. Pada Monel dan Nikrom, monel memiliki nilai induktansi sedikit lebih besar dibandingkan dengan nikrom. Monel 400 mengandung unsur (Ni 63%, Cu 31,7%, C 0,3%, Fe 2,5%, Si 0,5%, Mn 2%, S 0,024%) sedangkan nikrom mengandung 80% Ni da 20%. Pada Monel, selain mengandung nikel yang merupakan bahan feromagnetik juga terdapat Fe yang memiliki sifat magnetik yang tinggi. Pada induktor dengan tanpa inti logam memiliki nilai induktansi paling rendah hal ini dikarenakan Fe memiliki medan magnetik lebih besar jika dibandingkan dengan tanpa inti logam.
Gambar 3 (a) sampai (h) menunjukkan bahwa dengan meningkatnya tegangan yang diberikan maka nilai induktansi pun naik. Hal ini dapat dilihat pada indikator dengan inti logam ASTM A48 terdapat kenaikan nilai induktansi pada jumlah lilitan 150. Pada Gambar 3 (a) sampai (d) tegangan 4,5 V; 6 V; 7,5 V; 9 V dengan lilitan 150 mengalami kenaikan masing-masing sebesar 0,195 Ω. Sementara itu, pada Gambar 3 (e) sampai (g) tegangan 12V,15V,18V memiliki kenaikan sebesar 0,390 Ω dan pada Gambar 3 (h) tegangan 24 V naik sebesar 0,778 Ω. Hal ini juga berlaku pada Gambar 3 (a) sampai (d) induktor dengan inti logam nikrom, monel Fe dan tanpa inti logam mengalami kenaikan yang sama pada tegangan 4,5 V; 6 V; 7,5 V; 9 V lalu naik dua kali lipat pada Gambar 3 (e) sampai (g) tegangan 12 V; 15 V; 18 V serta naik menjadi dua kali lipat lagi pada Gambar 3 (h) tegangan 24 V. Kenaikan ini sesuai
dengan selisih antar tegangan yang diberikan. Hal ini menunjukkan bahwa adanya perubahan pada tegangan akan mempengaruhi nilai induktansi yang dihasilkan.
Berdasarkan Gambar 3 (a) sampai (h) menunjukkan bahwa dengan naiknya jumlah lilitan maka nilai induktansi pun meningkat. Hal ini dilihat pada Gambar 3 (a) sampai (h), logam dengan ASTM A48 pada memiliki selisih kenaikan nilai induktansi yang sama yaitu sebesar 0,084 Ω untuk 150 ke 500 lilitan dan 0,239 Ω untuk 500 ke 1000 lilitan. Pada tegangan 12 V; 15 V; 18 V (Gambar 3 (e) sampai (g)) memiliki selisih kenaikan sebesar 0,167 untuk 150 ke 500 lilitan dan 0,478 untuk 500 ke 1000 lilitan.
Sedangkan Gambar 3 (h) tegangan 24 V selisih kenaikan menjadi 0,334 Ω untuk 150 ke 500 lilitan dan 0,954 Ω untuk 500 ke 100 lilitan. Sama seperti halnya pada perubahan tegangan terjadi kenaikan dua kali lipat pada masing-masing lilitan sesuai dengan kenaikan tegangannya. Hal ini pula menunjukkan bahwa adanya perubahan perubahan pada lilitan yang mempengaruhi nilai induktansi yang dihasilkan sesuai dengan ref. [8] yang menyatakan bahwa adanya kenaikan pada penambahan jumlah lilitan khususnya pada inti logam ASTM A48. Pada tegangan 12 V - 24 V induktansi ASTM A48 memiliki nilai induktansi terbesar diantara inti logam lainnya.
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil penelitian pada pengukuran induktansi pada berbagai variabel tegangan dan lilitan induktor dengan inti logam Besi Cor ASTM A48 memiliki nilai induktansi terbesar diikuti dengan Fe, Monel Alloy 400, dan Nikrom. Semakin besar tegangan yang diberikan maka nilai induktansi semakin meningkat dan semakin besar jumlah lilitan akan meningkatkan nilai induktansi.
5. Ucapan Terima kasih
Terima kasih kepada Kementerian Riset Dan Teknologi /Badan Riset dan Inovasi Nasional Deputi Bidang Penguatan Riset dan Pengembangan atas dukungannya untuk mendanai penelitian melalui program Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Tahun 2020 dengan skema Penelitian Dosen Pemula dengan Surat Keputusan No. 067/SP2H/LT/DRPM/2020 dan Perjanjian Kontrak No.
50/SP2H/UN64.10/PP/2020.
6. Singkatan
7. Referensi
[1] P. A. Iskandar, Analisa Karakteristik Induktor Toroid pada Rangkaian Boost Converte, Skripsi Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok, Indonesia: Universitas Indonesia, 2012.
[2] Faroda, “Analisis Inverter pada Pembangkit Listrik Kapagen dengan Menggunakan Grounding,” J.
Surya Energy, vol. 3(1), pp. 228-233, 2018.
[3] Robins, E. Setyaningsih, T. Winata, “Alat Interkom Melalui Jala-Jala Listrik pada Jurusan Teknik Elektro Universitas Tarumanagara,” Tesla, vol. 15(1), pp. 15-24, 2013.
[4] D. C. Tanner, C. Brandes, Understanding Fault Detecting, Dating, and Modeling. Jerman: Elsevier Inc, 2020.
[5] D. Mardiansyah, “Analisa Sifat Ferromagnetik Material Menggunakan Metode Monte Carlo,” J.
Ilmiah Edu Research, vol. 2(2), pp. 65-74, 2013.
Lambang Keterangan
C Kapasitor pengisi
Dfb Flyback diode
f Frekuensi (Hz)
i Kuat arus (A)
IG Ignitron (spark gap)
L Nilai induktansi induktor (Farad)
Lf Induktan
N Jumlah lilitan
Rf Resistan
S Saklar
t Waktu (s)
T Trigger (pemicu)
V Tegangan (V)
XL Reaktansi induktif (Ω)
[6] T. M. A. Yunanto, “Preparasi dan Pengamatan Sifat Kurva Histerisis Lapisan Tipis FeCoNi untuk Aplikasi Desain Elektromagnet,” Pusat Sains dan Teknologi Akselerator BATAN, pp. 103-108, 2015.
[7] Salomo, “Analisa Pengaruh Inti Koil Terhadap Medan Magnetik Dan Muatan Pada Kapasitor Dalam Rangkaian Seri LC,” J. Ilmiah Edu Research, vol. 6(1), pp. 79-85, 2017.
[8] V. P. Fahriani, R. Setiawan, S. R. Pertiwi, “Uji Eksperimen Variasi Bahan Feromagnetik Inti Logam dan Temperatur Lingkungan Terhadap Performa Induktansi Induktor,” JITEKH, vol. 7(2), pp. 22-28, 2019.
[9] D. Citra, T. Haryono, P. Sasongko, “Pengaruh Variasi Front Time dan Arus Puncak Impuls Arus terhadap Kuat Medan Magnet Beberapa Bahan Logam,” Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik, 2013.
[10] L. Rohman, E. Supriyanto, K. Sa'diyah, D. Djuhana, “Curie temperatures and critical exponent properties of FePd ferromagnetic materials by data simulations approach,” Journal of Physics:
Conference Series, vol. 1170(1), pp. 012018, 2019.
[11] Syahputra, M. Ridho, Pengaruh Frekuensi Terhadap Induktor yang Dialiri Arus AC, Laboratorium Fenomena Medan Elektromagnetik Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya.
Palembang, Indonesia: Universitas Sriwijaya, 2017.
[12] F. Umarella, “Analisa Induktor Toroid Binokuler pada Rangkaian Boost Converter, Skripsi Fakultas Teknik, Universitas Indonesia. Depok, Indonesia: Universitas Indonesia, 2012.
[13] J. Y. Mindara, L. K. Men, Setianto, S. Hidayat, “Model Pencekram Beban Pintar Metoda,” J. Ilmu dan Inovasi Fisika, vol. 1(1), pp. 22-36, 2017.
[14] Y. Maryati, H. Rudiyanto, A. Aprilia, T. Saragi, “Pengembangan dan Modifikasi Sistem Pengukuran Suseptibilitas dan Permeabilitas Bahan Magnet,” J. Material dan Energi Indonesia, vol. 8(2), pp. 21-24, 2018.
[15] R. R. O. Sasue, E. Firmansyah, Suharyanto, “Perbaikan Efisiensi Interleaved Boost Converter 200 W Kondisi Beban Rendah Menggunakan Skema Pensaklaran Adaptif,” J. Telematika, vol. 11(1), pp. 37-51, 2018.
[16] C. Dewi, T. Haryono, S. Pramonohadi," Pengaruh Variasi Front Time dan Arus Puncak Impuls Arus terhadap Kuat Medan Magnet Beberapa Bahan Logam," Proceeding Seminar Ilmu Pengetahuan Teknik, 2013.
