BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Solar Sel
Energi adalah satu kata yang mempunyai makna sangat luas karena tidak ada aktivitas di alam raya ini yang bergerak tanpa energi dan itulah sebabnya kata salah seorang professor di Jepang bahwa hampir semua perselisihan di dunia ini, berpangkal pada perebutan sumber energi.
Secara umum sumber energi dikategorikan menjadi dua bagian yaitu nonrenewable energy dan renewable energy. Sumber energi fosil adalah termasuk kelompok yang pertama yang sebagaian besar aktivitas di dunia ini menggunakan energi konvensional ini.
Sekitar tahun delapan puluhan ketika para ahli di Indonesia menawarkan sumber energi alternatif yang banyak digunakan di negara maju yaitu nuklir, banyak terjadi pertentangan dan perdebatan yang cukup panjang sehingga mengkandaskan rencana penggunaan sumber energi yang dinilai sangat membahayakan itu. Diantara usulan yang banyak dilontarkan kala itu adalah
5
6
mengapa kita tidak menggunakan sumber energi surya. Memang tidak diragukan lagi bahwa solar cell adalah salah satu sumber energi yang ramah lingkungan dan sangat menjanjikan pada masa yang akan datang, karena tidak ada polusi yang dihasilkan selama proses konversi energi, dan lagi sumber energinya banyak tersedia di alam, yaitu sinar matahari, terlebih di negeri tropis semacam Indonesia yang menerima sinar matahari sepanjang tahun.
Permasalahan mendasar dalam teknologi solar cell adalah efisiensi yang sangat rendah dalam merubah energi surya menjadi energi listrik, yang sampai saat ini efisiensi tertinggi yang bisa dicapai tidak lebih dari 20%, itupun dalam skala laboratorium.
Untuk itu di negara-negara maju, penelitian tentang solar cell ini mendapatkan perhatian yang sangat besar, terlebih dengan isu bersih lingkungan yang marak digembar gemborkan.
2.1.1 Dari cahaya menjadi Listrik
Secara
sederhana
solar
cell
terdiri
dari
persambungan
bahan
semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi aliran elektron, nah aliran elektron inilah yang disebut sebagai aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar cell adalah seperti ditunjukkan dalam gambar 2.1
7
Gambar 2.1 Simbol Dan Struktur Lapisan Tipis Solar Sel Secara Umum
Bagian utama perubah energi sinar matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri dari bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum dapat dilihat pada gambar 2.2. Oleh karena itu absorber disini diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation (radiasi matahari) yang berasal dari cahaya matahari.
8
Gambar 2.2 Spektrum Radiasi Sinar Matahari
Lebih detail lagi bisa dijelaskan sinar matahari yang terdiri dari photonphoton, jika menimpa permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 2.3), dan hanya foton dengan level energi tertentu yang akan membebaskan eleKtron dari ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai sejumlah energi yang dibutuhkan untuk mengeluarkan elektron dari ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk membebaskan elektron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc/v) harus sedikit lebih besar atau diatas daripada energi band-gap. Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul dari semikonduktor yang dipergunakan.
9
Gambar 2.3 Radiasi Transisi Dari Sel Surya
Tentu saja agar efisiensi dari solar sel bisa tinggi maka foton yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta memperbesar konduktivitas dari bahannya.
Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam tersebut. Salah satu bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe2 yang dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor.
2.1.2 Bahan Solar Sel
Bahan yang berbeda menampilkan efisiensi yang berbeda dan memiliki biaya yang berbeda. Bahan untuk sel surya yang efisien harus memiliki karakteristik yang cocok untuk spektrum cahaya yang tersedia. Beberapa sel yang dirancang untuk secara efisien mengubah panjang gelombang cahaya matahari
10
yang mencapai permukaan Bumi. Namun, beberapa sel surya yang dioptimalkan untuk penyerapan cahaya di luar atmosfer Bumi juga. Bahan menyerap cahaya sering dapat digunakan dalam konfigurasi fisik untuk mengambil keuntungan dari penyerapan cahaya yang berbeda dan mekanisme biaya pemisahan. Bahan ini digunakan untuk sel surya termasuk silikon monocrystalline , silikon polikristal , silikon amorf , telluride kadmium , dan indium selenide tembaga / sulfida.
Gambar 2.4 Para Batas Untuk Efisiensi Maksimum
Semikonduktor dengan bandgap antara 1 dan 1,5 eV memiliki potensi terbesar untuk membentuk sebuah sel yang efisien.
Banyak sel surya saat ini tersedia terbuat dari bahan massal yang dipotong menjadi wafer antara 180-240 mikrometer tebal yang kemudian diproses seperti semikonduktor lainnya. Bahan lain dibuat sebagai film tipis lapisan, organik pewarna, dan organik polimer yang diendapkan pada substrat mendukung. Kelompok ketiga terbuat dari nanocrystals dan digunakan sebagai titik-titik kuantum (elektron-terbatas nanopartikel). Silikon tetap satu-satunya bahan yang baik diteliti di kedua massal dan bentuk film tipis.
11
A.
Kristal silikon Sejauh ini, bahan massal yang paling umum untuk sel surya kristal silikon
(disingkat sebagai kelompok sebagai c-Si), juga dikenal sebagai "kelas silikon solar". Bulk silikon dipisahkan ke dalam beberapa kategori sesuai dengan kristalinitas dan ukuran kristal di yang dihasilkan ingot , pita , atau wafer .
Gambar 2.5 Struktur Dan Mekanik Solar Sel Jenis silikon yang digunakan: 1. Monocrystalline silikon (c-Si): sering dibuat dengan menggunakan proses Czochralski . Kristal tunggal sel wafer cenderung mahal, dan karena mereka dipotong dari ingot silinder, tidak sepenuhnya mencakup modul sel surya persegi tanpa membuang sebagian besar silikon halus. Oleh karena itu Aq-Si panel telah menemukan kesenjangan pada keempat sudut sel.
12
2. Poli atau silikon multicrystalline (poli-Si atau mc-Si) terbuat dari cor ingot persegi (blok besar silikon cair didinginkan dan dipadatkan dengan hatihati). Poly-Si sel yang lebih murah untuk menghasilkan daripada sel-sel silikon kristal tunggal, tetapi kurang efisien. US DOE data menunjukkan bahwa ada jumlah yang lebih tinggi dari penjualan multicrystalline dari penjualan silikon monocrystalline. 3. Pita silikon adalah jenis silikon multicrystalline itu dibentuk dengan menggambar film tipis datar dari cair silikon dan hasil dalam multicrystalline struktur. Sel-sel ini memiliki efisiensi lebih rendah dari poli-Si, tapi menghemat biaya produksi karena pengurangan besar dalam limbah silikon, sebagai pendekatan ini tidak memerlukan menggergaji dari ingot .
B.
Film Tipis Film tipis teknologi mengurangi jumlah material yang dibutuhkan dalam
menciptakan bahan aktif dari sel surya. Film yang paling tipis sel surya yang terjepit di antara dua panel kaca untuk membuat modul. Sejak silikon panel surya hanya menggunakan satu panel kaca, panel film tipis sekitar dua kali berat panel kaca seperti panel silikon kristal. Mayoritas panel film telah efisiensi konversi secara signifikan lebih rendah, tertinggal silikon oleh dua sampai tiga persentase poin. Film tipis teknologi surya telah menikmati investasi besar karena keberhasilan Pertama Solar dan sebagian besar terpenuhi, janji biaya lebih rendah dan fleksibilitas dibandingkan dengan sel silikon wafer, tetapi mereka belum
13
menjadi produk solar utama karena efisiensi yang lebih rendah dan konsumsi yang lebih besar sesuai wilayah produksi per watt.
2.2
Resistor
Pada dasarnya semua bahan memiliki sifat resistif namun beberapa bahan seperti tembaga, perak, emas dan bahan metal umumnya memiliki resistansi yang sangat kecil. Bahan-bahan tersebut menghantar arus listrik dengan baik, sehingga dinamakan konduktor. Kebalikan dari bahan yang konduktif, bahan material seperti karet, gelas, karbon memiliki resistansi yang lebih besar menahan aliran elektron dan disebut sebagai insulator. Bagaimana prinsip konduksi, dijelaskan pada artikel tentang semikonduktor.
Hubungan antara hambatan, tegangan, dan arus, dapat disimpulkan melalui hukum berikut ini, yang terkenal sebagai hukum Ohm (v = R x i).
Resistor adalah komponen dasar elektronika yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam satu rangkaian. Sesuai dengan namanya resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon . Dari hukum Ohms diketahui, resistansi berbanding terbalik dengan jumlah arus yang mengalir melaluinya. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol W (Omega). Tipe resistor yang umum adalah berbentuk tabung dengan dua kaki tembaga di kiri dan kanan. Pada badannya terdapat lingkaran membentuk gelang kode warna untuk memudahkan pemakai mengenali besar resistansi tanpa mengukur besarnya dengan Ohmmeter. Kode
14
warna tersebut adalah standar manufaktur yang dikeluarkan oleh EIA (Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 2.6 Kode Warna Resistor
Gambar 2.7 Simbol Resistor
15
Resistansi dibaca dari warna gelang yang paling depan ke arah gelang toleransi berwarna coklat, merah, emas atau perak. Biasanya warna gelang toleransi ini berada pada badan resistor yang paling pojok atau juga dengan lebar yang lebih menonjol, sedangkan warna gelang yang pertama agak sedikit ke dalam. Dengan demikian pemakai sudah langsung mengetahui berapa toleransi dari resistor tersebut. Kalau anda telah bisa menentukan mana gelang yang pertama selanjutnya adalah membaca nilai resistansinya.
Jumlah gelang yang melingkar pada resistor umumnya sesuai dengan besar toleransinya. Biasanya resistor dengan toleransi 5%, 10% atau 20% memiliki 3 gelang (tidak termasuk gelang toleransi). Tetapi resistor dengan toleransi 1% atau 2% (toleransi kecil) memiliki 4 gelang (tidak termasuk gelang toleransi). Gelang pertama dan seterusnya berturut-turut menunjukkan besar nilai satuan, dan gelang terakhir adalah faktor pengalinya.
Misalnya resistor dengan gelang kuning, violet, merah dan emas. Gelang berwarna emas adalah gelang toleransi. Dengan demikian urutan warna gelang resitor ini adalah, gelang pertama berwarna kuning, gelang kedua berwana violet dan gelang ke tiga berwarna merah. Gelang ke empat tentu saja yang berwarna emas dan ini adalah gelang toleransi. Dari gambar 2.6 diketahui jika gelang toleransi berwarna emas, berarti resitor ini memiliki toleransi 5%. Nilai resistansisnya dihitung sesuai dengan urutan warnanya. Pertama yang dilakukan adalah menentukan nilai satuan dari resistor ini. Karena resitor ini resistor 5% (yang biasanya memiliki tiga gelang selain gelang toleransi), maka nilai satuannya ditentukan oleh gelang pertama dan gelang kedua. Masih dari gambar 2.6
16
diketahui gelang kuning nilainya = 4 dan gelang violet nilainya = 7. Jadi gelang pertama dan kedua atau kuning dan violet berurutan, nilai satuannya adalah 47. Gelang ketiga adalah faktor pengali, dan jika warna gelangnya merah berarti faktor pengalinya adalah 100. Sehingga dengan ini diketahui nilai resistansi resistor tersebut adalah nilai satuan x faktor pengali atau 47 x 100 = 4.7K Ohm dan toleransinya adalah 5%.
Spesifikasi lain yang perlu diperhatikan dalam memilih resitor pada suatu rancangan selain besar resistansi adalah besar watt-nya. Karena resistor bekerja dengan dialiri arus listrik, maka akan terjadi disipasi daya berupa panas sebesar W=I2R watt. Semakin besar ukuran fisik suatu resistor bisa menunjukkan semakin besar kemampuan disipasi daya resistor tersebut.
Berdasarkan penggunaannya, resistor dapat dibagi:
1. Resistor Biasa (tetap nilainya), ialah sebuah resistor penghambat gerak arus, yang nilainya tidak dapat berubah, jadi selalu tetap (konstan). Resistor ini biasanya dibuat dari nikelin atau karbon. 2. Resistor Berubah (variable), ialah sebuah resistor yang nilainya dapat berubah-ubah dengan jalan menggeser atau memutar toggle pada alat tersebut. Sehingga nilai resistor dapat kita tetapkan sesuai dengan kebutuhan. Berdasarkan jenis ini kita bagi menjadi dua, Potensiometer, rheostat dan Trimpot (Trimmer Potensiometer) yang biasanya menempel pada papan rangkaian (Printed Circuit Board, PCB). 3. Resistor NTC dan PTS, NTC (Negative Temperature Coefficient), ialah Resistor yang nilainya akan bertambah kecil bila terkena suhu panas.
17
Sedangkan PTS (Positife Temperature Coefficient), ialah Resistor yang nilainya akan bertambah besar bila temperaturnya menjadi dingin. 4. LDR (Light Dependent Resistor), ialah jenis Resistor yang berubah hambatannya karena pengaruh cahaya. Bila cahaya gelap nilai tahanannya semakin besar, sedangkan cahayanya terang nilainya menjadi semakin kecil.
Cara paling mudah menentukan resistor yang rusak, yaitu apabila resistor kita ukur dengan multimeter tidak sama dengan nilai gelang yang kita baca, bahkan sangat menyimpang jauh, ada pula yang tidak terukur atau 0 ohm. Untuk lebih baiknya sebelum kita memasang komponen resistor ke dalam rangkaian atau menyoldernya, lebih baik kita ukur dulu dengan multimeter untuk lebih tepatnya.
2.3
LDR (Light Dependent Resistor) Resistor peka cahaya (Light Dependent Resistor/LDR) memanfaatkan
bahan semikonduktor yang karakteristik listriknya berubah-ubah sesuai dengan cahaya yang diterima. Bahan yang digunakan adalah Kadmium Sulfida (CdS) dan Kadmium Selenida (CdSe). Bahan-bahan ini paling sensitif terhadap cahaya dalam spektrum tampak, dengan puncaknya sekitar 0,6 µm untuk CdS dan 0,75 µm untuk CdSe. Sebuah LDR CdS yang typikal memiliki resistansi sekitar 1 MΩ. Dengan sifat LDR yang demikian, maka LDR (Light Dependent Resistor) dapat digunakan sebagai sensor cahaya. Contoh penggunaannya adalah pada
18
lampu taman dan lampu di jalan yang bisa menyala di malam hari dan padam di siang hari secara otomatis atau bisa juga kita gunakan di kamar kita sendiri. Light Dependent Resistor (biasa disebut LDR), terdiri dari sebuah cakram semikonduktor yang mempunyai dua buah elektroda pada permukaannya. Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya redup LDR menjadi konduktor yang buruk, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup. Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang lepas dari atom bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan ada lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya terang LDR menjadi konduktor yang baik, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang kecil pada saat cahaya terang.
Gambar 2.8 Gambar & Simbol LDR LDR adalah suatu bentuk komponen yang mempunyai perubahan resistansi yang besarnya tergantung pada cahaya. Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu Laju Recovery dan Respon Spektral:
19
1.
Laju Recovery
Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga di kegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan suatu ukuaran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu. Harga ini ditulis dalam K /detik, untuk LDR type arus harganya lebih besar dari 200 K /detik (selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux), kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux.
2.
Respon Spektral
LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya yang jatuh padanya (yaitu warna). Bahan yang biasa digunakan sebagai penghantar arus listrik yaitu tembaga, alumunium, baja, emas, dan perak. Dari kelima bahan tersebut tembaga merupakan penghantar yang paling banyak digunakan karena mempunyai daya hantar yang baik.
20
2.4
Inverter Inverter merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengubah
tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik dan frekuensinya dapat diatur. Inverter ini sendiri terdiri dari beberapa sirkuit penting yaitu sirkuit converter (yang berfungsi untuk mengubah daya komersial menjadi dc serta menghilangkan ripple atau kerut yang terjadi pada arus ini) serta sirkuit inverter (yang berfungsi untuk mengubah arus searah menjadi bolak-balik dengan frekuensi yang dapat diatur-atur). Inverter juga memiliki sebuah sirkuit pengontrol. Unit Inverter Sirkuit Utama
Daya AC
Sirkuit Konverter
Sirkuit Inverter
Motor
Sirkuit Kontrol
Power supply 3 phasa
KONVERTER
Filter
Vdc
Gambar 2.9 Blok Diagram Inverter
INVERTER
Motor induksi 3 phasa
21
2.4.1 Prinsip Kerja Inverter 1.
Inverter 1 Fasa Pada dasarnya inverter merupakan sebuah alat yang membuat tegangan
bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang tegangan yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk sinusoida melainkan berbentuk gelombang dengan persegi. Pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua pasang saklar. Berikut ini merupakan gambar yang akan menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan gelombang tegangan persegi.
V S1
V
+
S3
A
B Beban
S2
S4
Gambar 2.10 Prinsip kerja inverter 1 Phasa Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa untuk menghasilkan arus bolakbalik, maka kerja saklar S1 sampai S4 yang disuplay oleh tegangan dc harus bergantian. Lalu bagaimanakah gelombang tegangan tersebut dapat terbentuk dari keempat buah saklar tersebut? Ketika saklar S1 dan S4 hidup maka arus akan mengalir dari titik A ke titik B sehingga terbentuklah tegangan positif. Setelah itu gentian saklar S2 dan S3 yang hidup dan arus akan mengalir dari tiitk B ke titik A sehingga terbentuklah tegangan negative.
22
Pembentukan gelombang hasil ON-OFF keempat saklar tersebut dapat terlihat dari gambar berikut: + S1 dan S4 On 0 S2 dan S3 On
Waktu
-
Gambar 2.11 Bentuk Gelombang Tegangan Dengan mengubah arah arus yang mengalir ke beban (pada ½ periode pertama arus mengalir dari titik A ke titik B dan pada ½ periode kedua arus mengalir dari B ke A) maka akan didapatkan bentuk gelombang arus bolak-balik. Lalu bagaimana inverter dapat mengatur frekuensi keluarannya? Inverter mengatur frekuensi keluarnnya dengan cara mengatur waktu ON-OFF saklarsaklarnya. Sebagai contoh apabila S1 dan S4 ON selama 0,5 detik begitu juga dengan S2 dan S3 secara berganti-gantian maka akan dihasilkan gelombang bolak-balik dengan frekunsi 1 Hz. Pada dasarnya saklar S1-S4 dan S2-S3 dihidupkan dengan jangka waktu yang sama. Jadi apabila dalam satu periode To = 1 detik, maka S1-S4 ON selama 0,5 detik dan S2-S3 ON selam 0,5 detik dan didapatkan frekuensi sebesar 1 Hz.
0,5 detik
0,5 detik
+ S1 dan S4 On 0 S2 dan S3 On
Waktu
-
Gambar 2.12 Bentuk Gelombang Tegangan AC Dengan Frekuensi 1 Hz
23
Jika dalam satu periode tersebut dinyatakan pada T maka nilai frekuensi yang dihasilkan adalah (F): F = 1/T Dimana:
F = Frekuensi (Hertz) T = Periode (detik)
2.
Inverter 3 Fasa Pada dasarnya prinsip kerja pada inverter 3 Phasa sama dengan inverter 1
phasa. Yaitu dengan mengubah arus searah menjadi bolak-balik dengan frekuensi yang beragam. Dimana tegangan arus DC ini dihasilkan oleh sirkuit converter untuk kemudian diubah lagi menjadi arus AC oleh sirkuit inverter.
S1
S3
S5
S2
S4
S6
U
VDC
0
60
120
180
240
300
V
360
420
S1 S2 S3 S4 S5 S6
U-V
V-W
W-U
Gambar 2.13 Sirkuit Pada Inverter
W
480
540
24
Dari gambar 2.13 dapat dilihat bahwa inverter memiliki dua buah sirkut utama, yaitu sirkuit converter dan sirkuit inverter. Sirkuit converter berfungsi untuk mengubah daya komersial AC menjadi arus searah serta menghilangkan ripple akibat penyearahan yang akan dilakukan oleh dioda-dioda pada sirkuit converter ini dengan menggunakan kapasitor penghalus (C). Tegangan DC dari converter itu kemudian menjadi sumber tegangan untuk transistor-transistor pada sirkuit converter. Selain berfungsi untuk mengubah kembali tegangan DC menjadi tegangan AC kembali, transistor-transistor juga mempunyai fungsi utama untuk mengatur frekuensi keluaran inverter yang beragam.
Sirkuit Konverter
D1
D2
Sirkuit Inverter
P
D3 TR1
TR3
TR5
R
U
S
V
T
W
TR4 D4
D5
TR6
TR2
D6
N
Gambar 2.14 Sirkuit dasar inverter 3 phasa dengan transistor Inverter juga memiliki saklar-saklar seperti pada inverter 1 phasa yakni untuk membentuk tegangan bolak-balik juga mengatur frekuensi keluaran inverter yaitu S1-S6. Namun pada aplikasinya saklar-saklar ini diganti dengan menggunakan enam buah transistor. Hal imi disebabkan karena saklar konversional memiliki banyak kerugian diantaranya adalah pada kecepatan
25
perpindahan saklar. Apabila saklar berubah-ubah dengan kecepatan tidak konstan untuk setiap perubahan tegangan (dari positif ke negative), tentunya frekuensi yang dihasilkan akan tidak konstan pula. Setelah itu transistor dihidup-matikan untuk menjalankan motor. Hubungan antara tegangan inverter (VRO, VSO, VTO) dan tegangan output (VRS, VST, VTR) dapat diturunkan sebagai berikut: VRS = VRO-VSO VST = VSO-VTO VTR = VTO-VRO Gambar dibawah ini menunjukan hubungan antara tegangan inverter serta urutan penyalaan.
0
30
60
vRO vSO
90
T1 ON
T4 ON
T2 ON
T5 ON
vTO T3 ON
vRS
120 150 180 210 240 270 300 330 360
T6 ON
T5 ON
T3 ON
T1 T5 ON T2 T4 ON
vST
T2 T6 ON T5 T3 ON
T5 T3 ON
vTR T6 T1 ON
Gambar 2.15 Hubungan Tegangan Antara Phasa Inverter Dan Urutan Penyalaan
26
Sedangkan untuk tegangan per phasa inverter dapat diturunkan menjadi persamaan – persamaan berikut : VRN = 1/3 VRO – 1/3 VSO -1/3 VTO VSN = 2/3 VSO – 1/3 VRO -1/3 VTO VTN = 2/3 VTO – 1/3 VSO -1/3 VRO
2.5
Lead Acid Batteries (ACCU) Sel timbal-asam ditemukan oleh Plante pada tahun 1859 dan sudah
dilakukan banyak modifikasi-modifikasi setelah itu dan yang kini digunakan adalah modifikasi Faure pada tahun 1881. Sel timbal asam sangat terkenal di dunia karena kemampuannya untuk diisi ulang sehingga terkenal dengan sebutan sel sekunder. Sel ini mampu menghasilkan beda potensial 2,0 Volt tiap unitnya. Baterai timbal-asam merupakan alat tua yang cocok dengan pekerjaan stater mobil (dan merupakan satu-satunya yang ada). Selama pengisian, reaksi katodanya adalah reduksi Pb2+ dan pengendapannya sebagai timbal pada elektroda timbal yang terjadi bukanlah reduksi asam menjadi hidrogen, karena reaksi ini mempunyai rapatan arus pertukaran yang rendah pada timbal. Raksi anoda selama pengisian adalah oksidasi Pb2+ menjadi Pb4+ yang diendapkan sebagai oksida PbO2. Pada pengisian, kedua reaksi ini berlangsung sebaliknya. Karena keduanya mempunyai rapatan arus pertukaran yang sangat tinggi, maka pengisian dapat berlangsung dengan cepat. Inilah sebabnya baterai timbal dapat menghasilkan arus yang besar jika diperlukan.
27
Biasanya, baterai timbal-asam disebut juga aki. Aki merupakan salah satu contoh sel sekunder karena reaksi reduksi yang berlangsung pada sel ini dapat dibalik dengan jalan mengalirkan arus listrik. Aki terdiri dari sebuah elektroda timbal dan sebuah elektroda PbO2 yang dicelupkan dalam larutan asam sulfat. Kedua ekeltroda tadi mempunyai permukaan yang luas dan disusun berdekatan satu dengan yang lain dengan menggunakan rangka yang kaku. Reaksi yang berlangsung adalah sebagai berikut: Oksidasi
: Pb(s) + HSO4-(aq)
PbSO4(s) + H+(aq) + 2e-
Reduksi
: PbO2(s) + 2H+(aq) + H2SO4(aq) + 2e-
Total
: Pb + PbO2 + 2H2SO4
PbSO4(s) + 2H2O(aq)
2PbSO4 + 2H2O Eosel = 2,0 Volt
Apabila digunakan dalam waktu yang cukup lama, maka kedua elektroda akan dilapisi oleh lapisan PbSO4 dan H2O yang akan mengencerkan asam sulfat yang terdapat dalam sel. Dengan memberikan arus listrik dari luar dengan arah yang berlawanan, reaksi yang terjadi akan merupakan kebalikan dari reaksi-reaksi di atas. Asam sulfat akan terbentuk kembali dan PbSO4 akan membentuk Pb dan PbO2 lagi. Jadi, dengan mengalirkan arus listrik dari luar dengan arah yang berlawanan, sel akan dapat digunakan lagi.
28
Gambar 2.16 Bagian Aki
2.6
Integrated Circuit
Integrated Circuit (IC) sebenarnya adalah suatu rangkaian elektronik yang dikemas menjadi satu kemasan yang kecil. Beberapa rangkaian yang besar dapat diintegrasikan menjadi satu dan dikemas dalam kemasan yang kecil. Suatu IC yang kecil dapat memuat ratusan bahkan ribuan komponen.
Bentuk IC bisa bermacam-macam, ada yang berkaki 3 misalnya LM7805, ada yang seperti transistor dengan kaki banyak misalnya LM741. Bentuk IC ada juga yang menyerupai sisir (single in line), bentuk lain adalah segi empat dengan kaki-kaki berada pada ke empat sisinya, akan tetapi kebanyakan IC berbentuk dual in line (DIL). IC yang berbentuk bulat dan dual in line, kaki-kakinya diberi bernomor urut dengan urutan sesuai arah jarum jam, kaki nomor SATU diberikan bertanda titik atau takikan.
Setiap IC ditandai dengan nomor type, nomor ini biasanya menunjukkan jenis IC, jadi bila nomornya sama maka IC tersebut sama fungsinya. Kode lain
29
menunjukkan pabrik pembuatnya, misalnya operational amplifier type 741 dapat muncul dengan tanda uA741, LM741, MC741, RM741 SN72741 dan sebagainya.
Gambar 2.17 IC Bentuk Transistor
Gambar 2.18 IC Bentuk Sisir (Single in Line)
Suatu kelompok IC disebut IC linear, antara lain IC regulator, Operational Amplfier, audio amplifier dan sebagainya. Sedangkan kelompok IC lain disebut IC digital misalnya NAND, NOR, OR, AND EXOR, BCD to seven segment decoder dan sebagainya.
Jenis IC yang sekarang berkembang dan banyak digunakan adalah Transistor-Transistor
Logic
(TTL)
dan
Complimentary
Metal
Oxide
Semiconductor (CMOS).
Jenis CMOS banyak terdapat di pasaran ialah keluarga 4000, misalnya 4049, 4050 dan sebagainya. Jenis TTL ditandai dengan nomor awal 54 atau 74. Prefix 54 menandakan persyaratan militer ialah mampu bekerja dari suhu 54
30
sampai 125C. Sedangkan prefix 74 menandakan persyaratan komersial ialah mampu bekerja pada suhu 0 sampai 70C.
Penomoran TTL dilakukan dengan 2, 3 atau 4 digit angka mengikuti prefixnya, misalnya 7400, 74192 dan sebagainya. Huruf yang berada diantara prefix dan suffix menandakan subfamilynya. Misalnya AS (Advance Schottkey), ALS (Advance Low Power Schottkey), H (High Speed), L (Low Speed), LS (Low Power Schottkey) dan S (Schottkey).
Apabila dibandingkan rangkaian dengan menggunakan transistor dengan rangkaian menggunakan IC, cenderung penggunaan IC lebih praktis dan biayanya relatif lebih ringan.
Pada saat ini sudah berkembang banyak sekali jenis IC, jenisnya sampai ratusan sehingga tidak mungkin dibicarakan secara umum. Untuk menggunakan IC kita harus mempunyai vademicum IC yang diterbitkan oleh pabrik-pabrik pembuatnya. Setiap jenis IC mempunyai penjelasan sendiri-sendiri mengenai sifatnya dan cara penggunaannya.
Apabila kita membuka lembaran vademicum IC, kita akan melihat berbagai symbol IC logic. Arti symbol-symbol ini akan kita pelajari bila sudah mulai eksperimen dengan IC digital.
Dengan mempelajari rangkaian suatu IC, yang terdiri atas begitu banyak komponen, maka dapat kita bayangkan bahwa piranti tersebut praktis tidak mungkin lagi dirangkai dengan menggunakan tabung-tabung elektron.
31
2.7
Regulator Tegangan
Regulator tegangan berfungsi sebagai filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya outputan tegangan.
Berikut susunan kaki IC regulator tersebut:
Gambar 2.19 Susunan Kaki IC Regulator
Misalnya 7805 adalah regulator untuk mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-turut adalah regulator tegangan -5 dan -12 volt.
Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan
32
LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut.
Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 2.20. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.
Gambar 2.20 Regulator Zener
Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 2.21 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan keluarannya adalah:
V =V +V out
Z
BE
33
VBE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 – 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus IB yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah : R2 = (Vin – Vz)/Iz Iz adalah arus minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan breakdown zener tersebut. Besar arus ini dapat diketahui dari datasheet yang besarnya lebih kurang 20 mA.
Gambar 2.21 Regulator Zener Follower
Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base I B pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumuskan dengan I C = bIB. Untuk keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan
34
transistor Darlington yang biasanya memiliki nilai b yang cukup besar. Dengan transistor Darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.
Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan OpAmp untuk men-drive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 2.22. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu :
Vin(-) = (R2/(R1+R2)) Vout Jika tegangan keluar Vout menaik, maka tegangan Vin(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar Vout menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi V z dengan memberi arus IB ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :
Vin(-) = Vz
35
Gambar 2.22 Regulator Dengan Op-Amp
Vout = ( (R1+R2)/R2) Vz Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2.
Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.
36
Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tegangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan Vin terhadap Vout yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A.
