Power Supply

Power supply atau catu daya adalah sebuah rangkaian elektronika yang mengubah arus bolak balik (AC) menjadi arus searah (DC) yang kemudian digunakan untuk menyalurkan listrik atau bentuk energi jenis apapun yang dibutuhkan oleh rangkaian elektronika yang lainnya. Secara prinsip, rangkaian power supply terdiri atas tiga komponen, yaitu transformator, dioda, dan kapasitor. Power supply DC memiliki rangkaian utama yang disebut dengan rectifier (penyearah), yaitu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah gelombang sinus AC menjadi deretan pulsa DC.
Ada 2 jenis rangkaian penyearah (rectifier) yang sering digunakan, diantaranya :
1. Penyearah setengah gelombang (Half Wave Rectifier).
Rangkaian penyearah setengah gelombang (Hal Wave Rectifier) terdiri dari 1 buah dioda yang terpasang secara seri maju, yang nantinya akan menghasilkan sinyal setengah gelombang

Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang

Pada penyearah tipe ini gelombang sinus pada sumber hanya dilewatkan separuh saja yaitu pada saat anoda dioda mendapat sinyal positif, namun jika sinyal yang diterima anoda negatif maka dioda akan off. Hal ini dikarenakan dioda hanya akan aktif jika anodanya lebih positif dari katoda.
Pada Gambar dibawah ini dapat dilihat pada sinyal keluaran dari dioda tersebut, dari 0-π adalah sinyal positif yang telah dilewatkan oleh dioda sedangkan dari π-2 π sinyal tersebut berada pada 0.

Bentuk Gelombang Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang

2. Penyerah gelombang penuh (Full Wave Rectifier)
Pada rangkaian penyearah setengah gelombang terdapat kelemahan, yaitu arus listrik yang mengalir ke beban hanya separuh dari setiap satu cycle. Hal ini akan menyulitkan dalam proses filtering (penghalusan). Untuk mengatasi kelemahan ini adalah penyearah gelombang penuh.
Rangkaian penyearah gelombang penuh ada yang tersusun dari dua dioda dan ada juga yang tersusun dari dua dioda seperti yang terlihat pada Gambar dibawah ini yang  keduanya menghasilkan penyearah gelombang penuh agar lebih mudah memberikan sinyal DC yang rata. Gelombang keluarannya lebih sempurna namun tentu saja masih terdapat riak (ripple).

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Dua Dioda

Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh yang tersusun dari dua dioda adalah pada setengah siklus positif pertama dioda 1 (D1) akan akif dan melewatkan sinyal tersebut, sedangkan dioda 2 (D2) akan aktif pada saat setengah sinyal kedua, sehingga dioda bekerja secara bergantian. Pada Gambar 2.8 setengah gelombang dari 0-π dilewatkan oleh D1 sedangkan D2 bekerja pada saat π-2π.

Bentuk Gelombang Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Sedangkan untuk rangkaian penyearah gelombang penuh yang terdiri dari dioda bridge, prinsip kerjanya adalah ketika priode sinyal positif AC (sine wave), dioda 1 (D1) dan dioda 2 (D2) mengalami konduksi. Arus listrik mengalir dari ujung lilitan bawah sekunder (transformator) melalui rangkaian beban, kemudian ke D1 dan D2, dan kembali ke lilitan bawah sekunder. Setengah periode berikutnya, polaritas sine wave berganti (periode sinyal negatif). Ujung lilitan atas sekunder sekarang menjadi negatif, ujung lilitan bawah menjadi positif. Dioda 3 (D3) dan dioda 4 (D4) mengalami konduksi. Pada kedudukan ini arus listrik mengalir dari ujung lilitan atas sekunder melalui rangkaian beban, kemudian ke D3 dan D4 dan kembali lilitan bawah sekunder. Arus listrik yang mengalir melalui rangkaian beban selalu dalam arah yang sama. Rangkaian penyearah gelombang penuh yang menggunakan dioda bridge dapat dilihat pada Gambar 2.9.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Dioda Bridge

Sinyal keluaran dari rangkaian penyearah (rectifier) belum dapat dimasukkan langsung ke rangkaian beban karena masih berupa deretan terdapat ripple tegangan. Untuk menghilangkan ripple tersebut dengan menggunakan kapasitor yang dipasang secara paralel pada rangkaian beban.
Pada saat anoda dioda 1 (D1) mendapat pulsa positip, D1 langsung konduksi dan capacitor mulai mengisi. Ketika kapasitor telah mencapai tegangan puncak, D1 menyumbat karena katodanya lebih positip daripada anodanya. kapasitor harus membuang (discharge) muatannya melalui beban yang mempunyai resistan tertentu. Oleh karenanya waktu discharge kapasitor lebih lama dibanding waktu yang dibutuhkan AC untuk melakukan satu periode (cycle). Akibatnya sebelum kapasitor mencapai 0 volt diisi kembali oleh pulsa berikutnya. Tegangan input rata-rata sebesar 115 volt dan tegangan puncak sebesar  162 volt.

Rangkaian Filter dengan Menggunakan Kapasitor

IC regulator yang sering digunakan pada power supply adalah jenis IC 78xx (untuk keluaran positif) dan IC 79xx (untuk keluaran negatif). Tanda ‘xx’  menunjukkan besar nilai yang dikeluarkan oleh regulator. Misalkan, dalam pembuatan Tugas akhir ini menggunakan power supply +5 Volt dan +12 Volt, maka digunakan IC 7805 dan IC 7812. IC tersebut akan mengeluarkan keluaran positif dengan tegangan 5 Volt dan 12 Volt.

IC Regulator Tegangan Positif 5 Volt

IC Regulator Tegangan Positif 12 Volt

Jenis – Jenis Arus Listrik

Didalam elektronika terdapat 4 jenis arus listrik.
1. Arus Searah (DC)

Gambar gelombang Arus DC

2. Arus bolak balik (AC)

Gambar gelombang arus AC

I(t) = Im sin wt

3. Arus Eksponensial

gambar arus eksponensial

4. Arus sinusoida teredam secara eksponensial

arus sinusoida teredam secara eksponensial

Hukum Kirchhoff

Di dalam rangkaian listrik (terdiri dari sumber tegangan dan komponen-komponen), maka akan berlaku Hukum-hukum kirchhoff. Hukum ini terdiri dari hukum kirchhoff tegangan (Kirchhoff voltage law atau KVL) dan hukum Kirchhoff arus (Kirchhoff Current Law atau KCL).
Hukum Kirchhoff Tegangan
Hukum ini menyebutkan bahwa di dalam suatu lup tertutup maka jumlah sumber tegangan serta tegangan jatuh adalah nol.

Contoh suatu ikal tertutup dari rangkaian listrik

Seperti diperlihatkan dalam Gambar 1 di atas, rangkaian ini terdiri dari sumber tegangan dan empat buah komponen. Jika sumber tegangan dijumlah dengan tegangan jatuh pada keempat komponen, maka hasilnya adalah nol, seperti ditunjukan oleh persamaan berikut
Hukum Kirchhoff Arus
Hukum Kirchhoff arus menyebutkan bahwa dalam suatu simpul percabangan, maka jumlah arus listrik yang menuju simpul percabangan dan yang meninggalkan percabangan adalah nol.

Percabangan arus listrik dalam suatu simpul

Gambar diatas adalah contoh percabangan arus listrik dalam suatu simpul. Dalam Gambar ini, terdapat tiga komponen arus yang menuju simpul dan tiga komponen arus yang meninggalkan simpul. Jika keenam komponen arus ini dijumlahkan maka hasilnya adalah nol, seperti diperlihatkan dalam persamaan berikut.

Hukum Ohm

V, I, dan R sebagai komponen parameter dalam Hukum Ohm.

Hukum Ohm adalah suatu pernyataan bahwa besar arus listrik yang mengalir melalui sebuah penghantar selalu berbanding lurus dengan beda potensial yang diterapkan kepadanya.Sebuah benda penghantar dikatakan mematuhi hukum Ohm apabila nilai resistansinya tidak bergantung terhadap besar dan polaritas beda potensial yang dikenakan kepadanya. Walaupun pernyataan ini tidak selalu berlaku untuk semua jenis penghantar, namun istilah “hukum” tetap digunakan dengan alasan sejarah.
Secara matematis hukum Ohm diekspresikan dengan persamaan:

V= I.R

dimana I adalah arus listrik yang mengalir pada suatu penghantar dalam satuan Ampere, V adalah tegangan listrik yang terdapat pada kedua ujung penghantar dalam satuan volt, dan R adalah nilai hambatan listrik (resistansi) yang terdapat pada suatu penghantar dalam satuan ohm.
Hukum ini dicetuskan oleh Georg Simon Ohm, seorang fisikawan dari Jerman pada tahun 1825 dan dipublikasikan pada sebuah paper yang berjudul The Galvanic Circuit Investigated Mathematically pada tahun 1827.

Generator DC

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
1. Konstruksi Generator DC
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC

Gambar 1. Konstruksi Generator DC

Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic / berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang
2. Prinsip kerja Generator DC
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator diperoleh melalui dua cara:

• Dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan induksi bolak-balik.
• Dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.

Proses pembangkitan tegangan tegangan induksi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3

Gambar 2. Pembangkitan Tegangan Induksi.

Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.

Gambar 3. Tegangan Rotor yang dihasilkan melalui cincin-seret dan komutator.

Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar 3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2) dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.

• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat medan)

3. Jangkar Generator DC
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.
Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan kawat atau lilitan batang

Gambar 4. Jangkar Generator DC

4. Reaksi Jangkar
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5). Fluks ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.

Gambar 5. Medan Eksitasi Generator DC

Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 6)

Gambar 6. Medan Jangkar dari Generator DC (a) dan Reaksi Jangkar (b).

Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser. Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada Gambar 7.(a).

Gambar 7. Generator dengan Kutub Bantu (a) dan Generator Kutub Utama, Kutub Bantu, Belitan Kompensasi (b).

Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan komutator dan lilitan kompensasinya.

Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan magnet, yaitu:
• lilitan magnet utama
• lilitan magnet bantu (interpole)
• lilitan magnet kompensasi
5. Jenis-Jenis Generator DC
Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
• Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a)
2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b)

Gambar 8. Generator Penguat Terpisah.

Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2.

Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan mendekati harga nominalnya.
Karakteristik Generator Penguat Terpisah

Gambar 9. Karakteristik Generator Penguat Terpisah

Gambar 9 menunjukkan:
a. karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika arus beban semakin besar.
b. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.
c. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.

• Generator Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet sisa yang terdapat pada medan magnet
stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah, dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2 diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Diagram Rangkaian Generator Shunt

Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.

Karakteristik Generator Shunt

Gambar 11. Karakteristik Generator Shunt.

Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat terpisah.

Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat diperbaiki pada generator kompon.
• Generator Kompon
Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.

Gambar 12. Diagram Rangkaian Generator Kompon

Karakteristik Generator Kompon

Gambar 13. Karakteristik Generator Kompon

Gambar 13 menunjukkan karakteristik generator kompon. Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik

Starting motor sinkron

Pada saat start ( tegangan dihubungkan ke kumparan stator) kondisi motor adalah diam dan medan rotor BR juga stasioner, medan magnet stator mulai berputar pada kecepatan sinkron. Saat t = 0, BR dan BS adalah segaris, maka torsi induksi pada rotor adalah nol.
Kemudian saat t = ¼ siklus rotor belum bergerak dan medan magnet stator ke arah kiri menghasilkan torsi induksi pada rotor berlawanan arah jarum jam. Selanjutnya pada t = ½ siklus BR dan BS berlawanan arah dan torsi induksi pada kondisi ini adalah nol. Pada t = ¾ siklus medan magnet stator ke arah kanan menghasilkan torsi searah jarum jam. Demikian seterusnya pada t = 1 siklus medan magnet stator kembali segaris dengan medan magnet rotor. Bentuk hubungan Torsi motor sinkron pada kondisi start ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.

Selama satu siklus elektrik dihasilkan torsi pertama berlawanan jarum jam kemudian searah jarum jam, sehingga torsi rata-rata pada satu siklus adalah nol. Ini menyebabkan motor bergetar pada setiap siklus dan mengalami pemanasan lebih. Tiga pendekatan dasar yang dapat digunakan untuk menstart motor sinkron dengan aman adalah.
1. Mengurangi kecepatan medan magnet stator pada nilai yang rendah sehingga rotor dapat mengikuti dan menguncinya pada setengah siklus putaran medan magnet. Hal ini dapat dilakukan dengan mengurangi frekuensi tegangan yang diterapkan.
2. Menggunakan penggerak mula eksternal untuk mengakselarasikan motor sinkron hingga mencapai kecepatan sinkron, kemudian penggerak mula dimatikan (dilepaskan).
3. Menggunakan kumparan peredam (damper winding) atau dengan membuat kumparan rotor motor sinkron seperti kumparan rotor belitan pada motor induksi (hanya saat start)

DASAR MOTOR STEPPER

I. Pendahuluan

 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. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah : 

·        Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur.

·        Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak

·        Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi

·        Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran)

·        Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC

·        Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya

·        Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.

 Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 

 1.      Motor stepper tipe Variable reluctance (VR)

Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutub-kutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR):

   

  Gambar 2.8. Penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR) 

2.      Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM)

Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling dengan kutub yang berlawanan (perhatikan gambar 2.9). Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,5⁰ hingga 15⁰ per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet:

 

 

 Gambar 2.9. Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM) 

3.      Motor stepper tipe Hybrid (HB)

Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,6⁰ hingga 0,9⁰ per langkah atau 100-400 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:

  

 

 Gambar 2.10. Penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid

Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. 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 (V_M) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan (perhatikan gambar 2.11).

 

Gambar 2.11. Motor stepper dengan lilitan unipolar

Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya (perhatikan gambar 2.12). Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama.

 

Gambar 2.12. Motor stepper dengan lilitan bipolar

II. Pengendali Motor Stepper

  

Berikut ini akan diberikan contoh perancangan dan perhitungan rangkaian pengendali motor stepper sederhana. Motor stepper yang digunkan pada contoh ini bertipe hibrid unipolar, memiliki empat fasa dan panjang langkah sebesar 1,8⁰ per langkahi. Motor diharapkan dapat berputar dalam dua arah dan memiliki dua kecepatan. Karena itu diperlukan pengendali motor stepper yang memiliki empat keluaran pulsa dengan kemampuan dua arah perputaran dan dua macam frekuensi pulsa guna mengatur kecepatan motor.

Rangkaian pengendali motor stepper (stepper motor driver) menggunakan komponen utama berupa sebuah IC logika XOR (74LS86) dan sebuah IC JK flip-flop (74LS76). Rangkain dengan kedua IC tersebut berfungsi untuk menghasilkan empat pulsa keluaran berurutan yang dapat berbalik urutannya dengan menerapkan logika tertentu pada rangkaian. Rangkaian tersebut memerlukan pulsa clock untuk dapat beroperasi. Sebagai sumber clock digunkan rangkaian berbasis IC timer 555. Rangkain pembangkit clock ini dapat menghasilkan dua macam frekuensi pulsa keluaran guna mendukung dua kecepatan motor stepper. Kemudian untuk mendukung pulsa-pulsa dengan arus besar (sekitar 1 - 3 A) digunakan transistor daya NPN tipe TIP31 sebagai solid state switch. Untuk lebih jelasnya perhatikanlah rangkaian utama dari pengendali motor stepper di bawah ini (gambar 3.7):

  

 Gambar 3.7. skema rangkaian pengendali motor steppper

 Gambar 3.7 di atas adalah skema rangkaian pengendali motor stepper yang dapat bergerak ke dua arah. Keluaran pengendali motor stepper ini ada empat (pena 15, 14, 11, 10 dari IC 74LS76). Pena-pena tersebut akan menghasilkan pulsa yang dapat menggerakkan motor stepper. Berikut ini adalah ilustrasi struktur motor stepper sederhana dan pulasa yang dibutuhkan untuk menggerakkannya:

                                                                         

Gambar 3.8. (a) bentuk pulsa keluaran dari pengendali motor stepper (b) penerapan pulsa pengendali pada motor stepper dan arah putaran yang bersesuaian

 Arah putaran motor dapat diatur dengan mengatur kondisi logika masukan pada pena 13 dari IC 74LS86. Jika diterapkan logika 0, maka motor akan berputar berlawanan dengan arah jarum jam (counter clock wise) sedangkan jika diterapkan logika 1, maka motor akan berputar dengan arah sesuai dengan ajah jarum jam (clockwise). Gambar 3.8.a di atas adalah contoh bentuk pulsa keluaran yang menggerakkan motor stepper pada arah sesuai dengan jarum jam (clockwise) (Gambar 3.8.b).

Kecepatan motor ditentukan oleh frekuensi masukan clock yang berbentuk gelombang persegi empat. Pulsa clock ini dibangkitkan oleh rangkaian osilator pembangkit pulsa berbasis IC timer 555. Berikut ini adalah rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555:

 Gambar 3.9. skema rangkaian pembangkit pulsa clock berbasis IC 555

 

Rangkaian pada gambar 3.9 di atas adalah rangkaian berbasis IC 555 yang bekerja pada mode astabil. Dalam mode ini, rangkian bekerja sebagai osilator pembangkit pulsa/gelombang. Rangkaian di atas akan membangkitkan pulsa berbentuk persegi empat pada keluarannya (pena 3) secara periodik.

 

 

  Gambar 3.10. bentuk gelombang keluaran rangkaian pembangkit pulsa (osilator)

 Pulsa di atas memiliki frekuensi dan periode yang konstan. Periode dari satu gelombang penuh adalah Tt (Time total). Th (Time high) adalah periode sinyal positif atau tinggi sedangkan Tl (Time low) adalah periode sinyal nol atau rendah. Periode gelombang keluaran tersebut ditentukan oleh VR1, VR2, R1, R2 dan C1. Kapasitor C2 hanya berfungsi sebagai penstabil rangkaian. Untuk menghitung Periode keluaran, dapat dilakukan dengan rumus berikut ini:

 

Th = 0,693 ´ C1 ´ (VR1 + R1 + R2)

Tl  = 0,693 ´ C1 ´ R2

Tt  = Th + Tl

 

Pada rangkaian osilator di atas digunakan C1 = 1 mF = 0,000001 F, VR1= 200 kW = 200000 W, R1 = 1 kW = 1000 W dan R2 = 1,2 kW = 1200 W. Jika VR1 diatur pada posisi maksimum dan R1 terhubung dengan VR1, maka:

 

Th = 0,693 ´ 0,000001 ´ (200000 + 1000 + 1200)

Th = 0,1401246 detik

 

Tl = 0,693 ´ 0,000001 ´ 1200 W

Tl = 0,0008316 detik

 

Tt = 0,1401246 + 0,0008316

Tt = 0.1408562 detik

 

Jadi periode gelombang (Tt) adalah 0,0716 detik sehingga frekuensinya adalah:

 

f = Hz 

 

Jika VR1 berada pada posisi minimum maka perhitungannya menjadi:

 

Th = 0,693 ´ 0,000001 ´ (0 + 1000 + 1200)

Th = 0,0015246 detik

 

Nilai Tl tetap = 0,0008316 detik karena harga R2 tetap.

 

Tt = 0,0015246 + 0,0008316

Tt = 0,0023562 detik

 

f =  Hz

 

Dari perhitungan di atas, diperoleh bahwa rangkaian pembangkit gelombang tersebut dapat membangkitkan pulsa dengan frekuensi 7,09 – 424,41 Hertz.

Karena motor yang digunakan terdiri atas 4 phase dan memiliki kecepatan sudut 1,8⁰ per langkah, maka:

·        Jika frekuensi clock = 7,09 Hz, maka kecepatan motor adalah:

 

v =  ´ 7,09 = 0,03545 putaran / detik

 

v = 2,127 rpm

 

·        Jika frekuensi clock = 424,41 Hz, maka kecepatan motor adalah:

 

v =  ´ 424,41 = 2,12205 putaran / detik

 

v = 127,323 rpm

 

Jadi pada sistem ini motor stepper dapat digerakkan pada kecepatan antara 2,127 rpm hingga 127,323 rpm. Dalam penerapannya pada sistem Triaxial, VR1 pada rangkaian osilator Gambar 3.9 di atur tahanannya hingga diperoleh kecepatan yang sesuai. Untuk dapat menghasilkan dua kecepatan, maka digunakan dua buah tahanan variabel (VR1 dan VR2). Masing-masing tahanan variabel diatur pada harga tahanan yang berbeda. Untuk harga tahanan yang lebih kecil akan dihasilkan pulsa clock yang lebih tinggi frekuensinya sehingga kecepatan motor stepper lebih tinggi. Untuk berpindah di antara dua kecepatan digunakan relay untuk memindah terminal R1 ke VR1 atau VR2. Jika relay off, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR1 sedangkan jika relay on, maka terminal R1 terhubung ke terminal VR2.

Motor stepper umumnya memerlukan arus listrik yang relatif besar yaitu antara 1 hingga 2 A. Untuk itu keluaran dari pengendali motor stepper perlu dikuatkan sehingga dapat mengalirkan arus yang besar. Penguat tersebut dapat dianggap sebagai solid state switch karena hanya menghasilkan sinyal tinggi dan rendah (1 dan 0). Berikut ini adalah skema rangkaian solid state switch :

 

 

Gambar 3.11. skema rangkaian solid state switch

 Pada rangkaian di atas (gambar 3.11), digunakan transistor bipolar (BJT) tipe TIP31 yang disusun sebagai open collector switch. Transistor TIP31 adalah tergolong transistor daya menengah yang mampu mengalirkan arus puncak hingga 5 A. Transistor-transistor ini harus dilengkapi oleh lempengan pendingin dari aluminium untuk mengurangi panas yang terjadi akibat besarnya arus yang mengalir. L1 - L4 adalah lilitan (wound) dalam motor stepper. Dioda D1 - D4 berfungsi sebagai pelindung rangkaian dari tegangan tinggi (back EMF) yang mungkin timbul dari lilitan motor setepper.

Keluaran dari rangkain pengendali motor stepper (phase1 - phase4) dihubungkan ke masukan dari empat transistor tersebut melalui R1 - R2. Jika masukan bernilai sinyal rendah, maka transistor akan berada pada keadaan cut-off sehingga arus dalam lilitan motor stepper tidak mengalir. Jika masukan bernilai tinggi (diatas tegangan ambang transistor), maka transistor akan on sehingga tegangan antara kolektor dengan emitor (V_CE ) turun dan arus dapat mengalir ke tanah (ground). Dengan begitu motor stepper berputar.  Jika sinyal keluaran dari pengendali motor stepper berbentuk seperti gambar 3.8.a, maka L1, L2, L3 dan L4 akan dialiri arus secara berurutan. Dengan begitu rotor dari motor stepper akan berputar sesuai dengan arah urutan sinyal pada gambar 3.8.b.

Teori Dasar Penguat Operasional

1. Penguat Diferensial Sebagai Dasar Penguat Operasional

Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya. Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:

Penguat diferensial tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik / sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1 = IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.

Apabila terdapat perbedaan antara sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor.

Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2).

Dalam penerapannya, penguat diferensial lebih disukai apabila hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang diguankan adalah tegangan antara satu keluaran dan bumi (ground). Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingkat kedua di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter follower).

Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hingga mendekati harga VCC dan dapat berayun secara negatif hingga mendekati harga VEE.

Apabila seluruh rangkaian telah dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan sebagai penguat operasional (Operational Amplifier (Op Amp)). Penjelasan lebih lanjut mengenai hal ini akan dilakukan pada sub bab berikut.

2. Penguat Operasional

Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:

  2.1. Karakteristik Ideal Penguat Operasional

Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

¨      Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A_VOL = -¥

¨      Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 0

¨      Hambatan masukan (input resistance) R_I = ¥

¨      Hambatan keluaran (output resistance) R_O = 0

¨      Lebar pita (band width) BW = ¥

¨      Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

¨      Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisi-kondisi ideal dari Op Amp.

 2.1.1. Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka

Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

                                A_VOL =  Vo / Vid  = - ¥

                                 A_VOL = Vo/(V1-V2)  = - ¥

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fasa dengan tegangan masukan V_id. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V_O jauh lebih besar daripada tegangan masukan V_id. Dalam kondisi praktis, harga A_VOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).

Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V_O tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

 2.1.2. Tegangan Ofset Keluaran

Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan V_id = 0. Secara ideal, harga V_OO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.

Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset V_OO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga V_OO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan V_id  = 0, tegangan keluaran V_O juga = 0. Apabila hal ini tercapai,

 2.1.3. Hambatan Masukan

Hambatan masukan (input resistance) R_i dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp.  Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.

Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

2.1.4. Hambatan Keluaran

Hambatan Keluaran (output resistance) R_O dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R_O Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.

Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

2.1.5. Lebar Pita

Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.

Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.

2.1.6. Waktu Tanggapan

Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.

Tetapi dalam  prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

2.1.7. Karakteristik Terhadap Suhu

Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.

 

2.2. Implementasi Penguat Operasional

Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat: 

 

Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting.  Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan rumus: 

                                         A_V = (R1+R2)/R1

                                         A_V = 1 + R2/R1

Sehingga :

                                         V_O =1+(R2/R1)  V_id

Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda “-“. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 180⁰ dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:

Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus:

                                                           A_V = - R2/R1

Sehingga:                                            V_O = - (R2/R1) V_id