19
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Definisi Pemanas Induksi Pemanas induksi adalah timbulnya panas pada logam yang terkena induksi medan magnet, hal ini disebabkan karena pada logam timbul arus Eddy atau arus pusar yang arahnya melingkar melingkupi medan magnet terjadinya arus pusar akibat dari induksi magnet yang menimbulkan fluks magnetik yang menembus logam, sehingga menyebabkan panas pada logam. Induksi magnet adalah kuat medan magnet akibat adanya arus listrik yang mengalir dalam konduktor. Pemanasan induksi juga disebut sebagai proses pemanasan non-kontak yang menggunakan listrik frekuensi tinggi untuk menghasilkan panas yang konduktif secara elektrik. Karena non-kontak, proses pemanasan tidak mencemari bahan yang sedang dipanaskan. Hal ini juga sangat efisien karena panas yang sebenarnya dihasilkan di dalam benda kerja, ini dapat dibandingkan dengan metode pemanasan lain dimana panas yang dihasilkan dalam elemen api atau pemanas, yang kemudian diterapkan pada benda kerja. Untuk alasan ini, pemanas induksi cocok untuk beberapa aplikasi yang unik dalam industri (Noviansyah Ryan).
2.2 Cara Kerja Pemanas Induksi Sebuah sumber listrik digunakan untuk menggerakkan sebuah arus bolak balik atau yang biasa disebut sebagai arus AC yang besar melalui sebuah kumparan induksi. Kumparan induksi ini dikenal sebagai kumparan kerja. Aliran arus yang melalui kumparan ini menghasilkan medan magnet yang sangat kuat dan cepat berubah dalam kumparan kerja. Benda kerja yang akan dipanaskan ditempatkan dalam medan magnet ini dengan arus AC yang sangat kuat. Ketika sebuah beban
20
masuk dalam kumparan kerja yang dialiri oleh arus AC, maka nilai arus yang mengalir akan mengikuti besarnya sesuai dengan nilai beban yang masuk. Medan magnet yang tinggi dapat menyebabkan sebuah beban dalam kumparan kerja tersebut melepaskan panasnya, sehingga panas yang ditimbulkan oleh beban tersebut justru dapat melelehkan beban itu sendiri. Karena panas yang dialami oleh beban akan semakin tinggi, hingga mencapai nilai titik leburnya. 2.3 Arus Eddy (Eddy Curent) Pada saat arus bolak-balik (AC) mengalir pada setiap konduktor maka akan timbul medan magnet bolak-balik disekitar tepat tersebut. Begitu pula pada saat setiap bahan konduktif ditempatkan dalam medan magnet bolak-balik maka aliran arus akan timbul dalam bahan tersebut. Arus yang timbul pada bahan akan melawan medan magnet yang dibangkitkan, hal ini cenderung menghilangkan medan magnet. Karena fluks eksternal harus menembus permukaan sebelum mencapai bagian dalam bahan konduktif ini, maka aliran arus akan lebih dekat ke permukaan. Intensitas medan magnet yang digunakan untuk melawan arus akan menyimpan arus didalam bahan tesebut dimana intensitas tersebut merupakan fungsi dari frekuensi. Apabila frekuensinya ditingkatkan maka aliran arus menjadi lebih efektif dalam membangkitkan seluruh medan magnet yang dibutuhkan, dan arus yang kecil akan mengalir pada lapisan dibawah permukaan. Peristiwa yang terjadi ini disebut dengan efek kulit (Skin Effect) dimana efek kulit sangat berguna untuk menghasilkan konsentrasi arus pada permukaan bahan dan arus yang keluar dipermukaan bahan tersebut dinamakan dengan arus Eddy (Eddy Curent). Panas yang dihasilkan oleh resistansi pada bahan inti terhadap arus Eddy disebut dengan rugi-rugi arus eddy, karena arus eddy ditimbulkan oleh perubahan kerapatan fluks pada inti besi dengan menggunakan lilitan utama yang diberi tenaga.
21
Pada mesin induksi biasanya rugi-rugi yang kita perlukan terdapat pada besi stator, dan diperoleh dengan mengukur masukan pada mesin saat bekerja tanpa beban pada kecepatan atau frekuensi tertentu dan dengan fluks yang semestinya. Pada rugi-rugi arus eddy tergantung pada kuadrat dari kerapatan fluksi, dan frekuensi untuk keadaan alat normal, besarnya rugi-rugi arus eddy dinyatakan dengan persamaan: Pe = Kc (Bmaks .f)2 …………………………………………..(2.1)
Keterangan : Pe = Rugi-rugi arus eddy
(Watt)
Kc = Konstanta eddy f = Frekuensi
(Hz)
Bmaks = Fluks Maksimum
(Wb/m2)
Penjelasan mengenai arus eddy dan rugi-rugi arus eddy dapat penulis jadikan dasar teori bahwa intensitas dari medan eksternal akan mempengaruhi besaran (magnitude) dari aliran arus eddy, sehingga mempengaruhi kemampuan pemanasan dimana frekuensi mempengaruhi kedalaman arus yang dapat menembus permukaan. Kedua persamaan rugi-rugi diatas yaitu rugi-rugi histerisis dan rugi-rugi arus eddy maka kita dapat menjelaskan berapa besar presentasi efisiensi dari pemanas induksi. Untuk menghitung jumlah rugi-rugi pada inti besi maka harga dari kedua rugi-rugi tersebut harus diketahui terlebih dan menggunakan persamaan: rugi-rugi = Pc + Ph …………………………………(2.2)
22
Keterangan: Pc = Rugi-rugi arus eddy
(Watt)
Ph = Rugi-rugi histerisis
(Watt)
Hasil energi yang diterima dari sumber arus akan menghasilkan rugi-rugi dan akhirnya timbul panas pada inti lilitan, maka pertimbangan terhadap rugirugi suatu alat merupakan hal yang penting. Ada tiga pertimbangan penting antara lain: 1. Rugi-rugi menentukan efisiensi alat dan cukup berpengaruh terhadap biaya pemakaian alat tersebut. 2. Rugi-rugi menentukan pemanasan alat sehingga menentukan pula keluaran daya atau ukuran yang dapat diperoleh tanpa mempercepat pendinginanan isolasinya. 3. Jatuhnya tegangan atau komponen arus yang bersangkutan dengan rugi-rugi yang dihasilkan harus dipertimbangkan dengan jelas dalam penampilan alatnya. Pengukuran rugi-rugi mempunyai keuntungan karena mudah dan murah untuk dilaksanakan dan menghasilkan harga yang lebih teliti dan cermat. Selain itu presentasi kesalahan yang diberikan dalam pengukuran rugi-rugi hanya menyebabkan
sekitar
sepersepuluh
(1/10)
kesalahan
presentasi
pada
efisiensinya. Efisiensi yang ditentukan dari pengukuran rugi-rugi dapat dipergunakan untuk membandingkan alat sejenis jika metode pengukuran dan perhitungannya sama. Rugi-rugi I2R akan ditentukan pada semua lilitan mesin dan diasosiasikan dengan fluks yang berubah terhadap waktu dalam bahan magnetic. Pada lilitan mesin bahan untuk membuat inti kumparan yaitu besi, maka rugi-rugi inti pada rangkaian terbuka disebut sebagai rugi-rugi inti besi, adapun rugi-rugi inti besi ini terbagi menjadi dua yaitu rugi-rugi histerisis dan rugi-rugi arus eddy seperti yang telah dijelaskan diatas.(Tipler,1998)
23
2.4 Induksi magnet pada Solenoida Solenoid adalah kawat panjang dengan banyak loop seperti gambar dibawah ini.
Gambar 2.1 lilitan Solenoide pada kawat Setiap loop kawat akan menghasilkan medan magnet seperti pada gambar a. Dan medan magnet total didalam solenoid adalah jumlahan dari setiap magnet yang dihasilkan oleh setiap loop kawat tersebut. Jika loop kawat sangat dekat (rapat) medan magnet didalam solenoid adalah paralel kecuali diujung-ujung solenoid seperti gambar b.
Untuk menghingtung medan magnet dalam solenoid, kita ambil satu lintasan dari persegi panjang abcd seperti gambar dibawah. Sehingga, (
ab
0I
+(
bc
+(
cd
+(
da = µ 0I
24
Medan magnet pada segmen ab adalah kecil sekali (mendekati nol) karena berada diluar solenoid sehingga (
ab
∞ 0. Medan magnet pada segmen bc dan
da adalah nol karena arah lintasan (segmen) adalah tegak lurus terhadap arah medan magnet dalam solenoid. Dari pemikiran tersebut terlihat bahwa medan magnet hanya berasal dari segmen cd yang panjangnya = l. Jadi : (
cd
= µ 0I
= µ 0NI Arus yang mengalir pada kawat adalah I. Jadi arus yang mengalir pada setiap kawat adalah juga = I. sehingga pada lintasan yang ditinjau (yaitu persegi panjang) abcd, jumlah arus yang lewat adalah NI, dimana N adalah jumlah loop pada lintasan. Jadi ,
= µ 0NI. Jika n = N/l. atau jumlah loop persatuan
panjang, maka medan magnet dalam solenoide adalah:
= µ 0nI. (Pratama Iwan).
Solenoide merupakan salah satu jenis kumparan terbuat dari kabel panjang yang dililitkan secara rapat dan dapat diasumsikan bahwa panjangnya jauh lebih besar dari pada diameternya. Dalam kasus solenoid ideal, panjang kumparan adalah tak hingga dan dibangun dengan kabel yang saling berhimpit dalam lilitannya, dan medan magnet di dalamnya adalah seragam dan paralel terhadap sumbu solenoid. Kuat medan magnet untuk solenoid ideal adalah: 0.
`
…………………………………………………(2.3)
Keterangan :
= adalah kuat medan magnet, = adalah permeabilitas ruang kosong, = adalah kuat arus, = adalah jumlah lilitan.
25
Jika terdapat batang besi dan ditempatkan sebagian panjangnya di dalam solenoide, batang tersebut akan bergerak masuk ke dalam solenoid saat arus dialirkan. Hal ini dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan tuas, membuka pintu, atau mengoperasikan relai. Kelistrikan dan kemagnetan telah lama dikenal. Namun para ilmuwan belum mengetahui bahwa ada hubungan antara keduanya. Hubungan keduamya baru diketahui ketika Hans Christian Oersted menunjukkan bahwa kompas yang berada di bawa kawat konduktor berarus akan menyimpang. Besarnya induksi magnet pada kawat konduktor lurus berarus yang panjang tak berhingga dituliskan secara matematis B = µi/ 2πa. Dimana B adalah induksi magnet (T), i adalah arus (A) dan a adalah jarak dari kawat konduktor (m). Salah satu cara yang paling praktis untuk menciptakan medan magnet yang dikendalikan adalah untuk membangun solenoide. Sebuah solenoid adalah silinder panjang pada kumparan seperti kawat. Ketika arus dialiri melalui kawat, medan magnet dibuat dalam bentuk silinder. Solenoide biasanya memiliki panjang beberapa kali diameternya. Kawat adalah di sekitar bagian luar silinder panjang dalam bentuk heliks dengan lapangan kecil. Medan magnet dibuat di dalam silinder cukup seragam, terutama jauh dari ujung solenoid.
Gambar2.2 : Solenoide silinder panjang pada kumparan seperti kawat.
Di dalam solenoid ada kawat bermotor melingkar dengan cara yang khusus (lihat gambar di atas). Ketika dialiri arus listrik melalui kawat ini (energi), maka terjadi
26
medan magnet. Pada Poros solenoide ada piston seperti silinder terbuat dari besi atau baja, yang disebut pendorong.
2.5 Solenoide. Solenoide merupakan induktor yang terdiri dari gulungan kawat yang kadang di dalamnya dimasukkan sebuah batang besi berbentuk silinder dengan tujuan memperkuat medan magnet yang dihasilkan. Solenoida digunakan dalam banyak perangkat elektronika seperti bel pintu atau pengeras suara.secara skematik gambar solenoida ada lah sebagai berikut ;
dl
ȓ X
R
dBy dB θ
x dBx
θ P
dBx x
z
Gambar 2.3 : Medan magnet pada titik P sejauh x dari sumbuh sebuah kawat lingkaran berarus listrik.
Solenoida terdiri dari N buah liltan kawat berarus listrik I , dimana medan magnet yang dihasilkan memiliki arah seperti pada gambar ,dimana kutub utara magnet mengikuti aturan tangan kanan 1.
27
Gambar 2.4 : Solenoide dengan banyaknya lilitan n Besarnya medan magnet yang dihasilkan pada sebuah titik P pada sumbu didalam solenoida adalah sebagai jumlah dari medan magnet yang dihasilkan sebuah kawat berbentuk lingkaran dengan x yang berubah sehingga dari persamaan berikut :
............................................(2.4) ……….....................………(2.5)
Diperoleh
jika solenoida sepanjang L maka dapat dibentangkan dari –x1 sampai x2seperti pada gambar berikut :
P
R
-x
x
X2
Gambar 2.5 : Medan magnet dalam suatu solenoide
28
Dengan panjang L, solenoida yang terdiri dari N buah lilitan maka jumlah lilitan persatuan panjang sebut saja n adalah n = N/L . Maka jika kita jumlahkan seluruh lilitan sebanyak ndx, kita harus melakukan integrasi untuk seluruh dx dari –x1 ke x2. : ………………………(2.6)
Dari hasil bentuk integral ini dapat dilihat pada tabel- tabel integral baku pada buku kalkulus, dimana berlaku : …………………….............…(2.7)
Sehingga:
……………….....………(2.8)
……………………..........…(2.9)
Sehingga medan magnet ditengah sumbu solenoida adalah : ………………….....……(2.10)
Jika jari-jari solenoida R maka dapat dianggap jauh lebih kecil dari X1 dan X2, maka suku pertama dalam kurung pada persamaan terakhir dapat didekati :
……………….......................…(2.11)
29
Demikian juga suku kedua sehingga : …………….......................................…(2.12) Dengan demikian dapat diperoleh kuat medan magnet untuk solenoida dengan jumlah lilitan persatuan panjang n adalah : 0.
………………………...........................(2.13)
Untuk menurunkan medan magnet di dalam solenoida dari persamaan diatas dapat dilakukan melalui hukum Ampere.
2.6 Efek Histerisis Hysteresis adalah ketergantungan sebuah sistem, tidak hanya pada keadaannya sekarang, tetapi juga pada keadaannya pada masa lalu. Ketergantungan ini muncul karena sistem tersebut dapat berada di lebih dari satu kondisi internal. Untuk mengira-ngira perubahan berikutnya, baik kondisi internal maupun sejarahnya harus diketahui. Bila sebuah masukan yang diberikan naik dan turun secara bergantian, keluarannya akan cenderung membentuk sebuah ikal di Gbr. Dibahah. Bagaimanapun, ikal-ikal juga terjadi karena keterlambatan dinamis antara masukan dengan keluaran. Seringkali, efek ini mengacu kepada histeresis. Efek ini menghilang saat masukannya berganti secara perlahan, jadi para ahli tidak menganggap hal itu sebagai histeresis sebenarnya. Histeresis terjadi di bahanbahan feromagnetik dan feroelektrik, seperti pada deformasi bahan-bahan (seperti karet gelang) dalam merespon berbagai gaya. Di sistem alami, histeresis selalu dihubungkan dengan perubahan termodinamika tak-terbalikkan. Banyak sistem buatan didesain untuk mempunyai histeresis, contohnya, di termostat dan pemicu Schmitt, histeresis dibuat oleh umpan balik positif untuk menghindari peralihan cepat yang tidak diinginkan.
30
Bahan magnetik yang sangat baik untuk mendesain sebuah inti kumparan adalah dari ferromagnetik/ferrimagnetik karena bahan tersebut memiliki momen magnetik yang sangat kuat. Untuk menyearahkan momen- momen kedaerah weiss besarnya kuat medan (H) yang berhubungan dengan kerapatan fluks sangat ( B ) berpengaruh pada inti kumparan tersebut. Histerisis adalah suatu kondisi dimana sebuah momen magnet bahan merupakan fungsi magnetik yang berubah – ubah . dimana dalam menyearahkan momen magnet ke daerah weiss menggunakan dua cara yaitu dengan gaya magnetisasi dalam dan gaya magnetisasi luar. Apabila kita menggunakan gaya magnetisasi dari luar dan gaya magnetisasi yang tersebut dikurangi maka momen magnetiknya akan kembali kearah magnetisasi yang terdekat dengan medan yang dipergunakan. Tetapi jika tidak menggunakan gaya magnetisasi dari luar maka momen magnetik akan mengarah ke daerah weiss secara alamiah dan arahnya akan berasosiasi dengan struktur kristal. Jika kuat medan ( H ) semakin kuat maka penyearahan momen akan semakin berhasil, tetapi akan mengakibatkan perubahan nilai yaitu anatara nilai B dan H tidak berbanding lurus. Dengan adanya gaya magnetisasi itu merupakan gejala dimana momen mengalami “ gesekan “ yaitu perubahan arah momen dan pergeseran batas daerah weiss. Pergeseran batas daerah weiss itu terhambat karena momen – momen tersebut saling kait – mengkait atau saling tersangkut. Karena hal tersebut diatas maka menimbulkan grafik yang tidak berupa garis lurus dan disebut dengan liku histerisis. Apabila medan ( H ) diturunkan maka medan ( B ) tidak ikut menurun secara sebanding, ini akibat “ gesekan “ tersebut diatas sehingga medan magnet B cenderung bertahan . jika medan ( H ) dinaikkan atau diturunkan baik kearah positif atau kearah negatif maka perbedaan nilainya dapat kita lihat dengan grafik, grafik tersebut dapat kita lihat melalui lingkaran histerisis dbawah ini.
31
B1 O1 O2
B2 b O3
e c -H1
-H2
i H2
H1 Medan pemagnet H
0
a -B2
d
-B1
Gambar 2.6 : lingkar Histerisis
Pada gambar diatas dapat kita amati dengan tanda anak panah yaitupada saat rangkaian magnet dalam meghasilkan fluks mengalami penambahan maka intensitas medan magnet juga mengalami penambahan sesuai perubahan dari +H1 ke –H1. Apabila siklus ini dilewatkan rangkaian beberapa kali, maka kerapatan fluks magnet yang dihasilkan +B1 ke –B1 dan merupakan sebuah fungsi yang bernilai tidak tunggal terhadap nilai H.
32
Gambar 2.7 : Induktansi pada kurva Histerisi Variasi harga B dengan H adalah yang mengelilingi simpal a1, b, c, d,e ,f,a1,jika medan pemagnet H1 dihilangkan maka sejumlah magnet sisa (remanent) yang sama dengan titik 0b. Untuk menghilangkan remanent maka medan pemagnet H harus dibalik (dinegatifkan) disebut dengan medan kohersif pada titik 0c. (Ishaq mohamad,2007).
2.7 Desain Lilitan Pemanas Dalam membuat perencanaan pemanas induksi (lilitan pemanas) maka harus diperhatikan bahwa panas yang ditimbulkan pada bahan tersebut sepenuhnya hasil dari fluks magnetic. Fluks magnetic yang timbul karena lilitan inductor tersebut akan menjadi pengontrol panas yang diinginkan. Apabila intensitas bentuk fluksi mengalami perubahan maka akan berpengaruh pada panas yang dihasilkan. Fluksi magnetic yang dihasilkan tersebut akan berbanding lurus dengan jumlah putaran-ampere dalam lilitan, yaitu arus lilitan mengatur jumlah efektif dari putaran. Panas yang dihasilkan dari kumparan dapat kita bangkitkan pula dengan kepekatan fluksi dari konduktor , pengurangan
33
spasi sekitarnya dan kedekatan lilitan dengan bahan yang dipanaskan. Apabila perancang ingin mendapatkan konsentrasi yang tinggi pada alat pemanas induksi yang berada dalam ruang yang terbatas, maka digunkan lilitan putaran tunggal yang dapat mengangkat arus tinggi. Karena pemanas ini akan dibangkitkan dari tegangan dan frekuensi yang cukup tinggi, maka penggunaan lilitan inductor sangat diperhatikan. Lilitan inductor kumparan yang didesain harus dicermati sekali dan memperhatikan sifatsifat yang penting yaitu antaran lain : 1. Hambatan dalam, dimana hambatan dalam ini akan mempengaruhi besarnya arus pada kumparan. Hal ini berpengaruh pada pula pada harga rugi-rugi. 2. Induktansi kumparan bergantung pada suhu. Perubahan suhu berakibat perubahan ukuran-ukuran fisik dari kumparan (panjang lilitan dan luas penampang)sehingga induktansi akan berubah. 3. Pada kumparan yang menggunakan inti besi, hasil induktansinya akan bergantung pada kuat arus yang mengalir pada kumparan. 4. Dalam kondisi harga arus tertentu , induktansi akan menurun dan hal ini disebabkan inti besi sudah jenuh. Pada frekuensi yang lebih tinggi, panas yang dibandingkan oleh fluksi magnetic sangat dipengaruhi oleh penggunaan inti besi, hal tersebut disebabkan karena dengan menggunakan inti besi rugi, rugi-rugi arus eddy yang ditimbulkan sangat tinggi nilainya,sehingga panas yang dihasilkan juga akan semakin tinggi. Sebuah pemanas induksi dapat digunakan untuk mengaplikasikan rangkaian inverter satu fasa apabila suplai frekuensi yang digunakan untuk pemanas induksi tersebut sesuai dengan sumber rangkaian inverter satu fasa tersebut. Frekuensi yang dihasilkan dari sumber AC akan diterapkan untuk perencanaan pemanas induksi yang lebih konvensional. Pada pemanas ini menggunakan inti besi berupa besi pejal, dimana inti besi tersebut akan membantu menyalurkan panas kebahan lain yang akan dipanaskan sebagai aplikasinya.
34
Berikut ini adalah gambar rangkaian pemanas induksi yang bersumber dari rankaian inverter satu fasa.
A Rangkaian Sumber AC
f
v
Gambar 2.8. Rangkaian pemanas induksi dengan sumber AC Pada gambar rangkaian di atas pemanas induksi menggunakan besi sebagai intinya, sehingga lilitan dibuat sebagai putaran lilitan tunggal pada inti besi tersebut. Dengan menghubungkan rangkaian sumber AC dengan pemanas maka kita harus menyesuaikan factor daya,tegangan,frekuensi,dan arus sesuai dengan kapasitas yang diijinkan dari rangkaian sumber AC. Apabila factor-faktor tersebut diatas sudah kita ketahui, maka pemanas induksi yang kita desain harus sesuai dengan sumber AC. Dan dikarenakan kompleksitas factor-faktor yang mempengaruhi pendesain lilitan pemanas , maka cara termuda untuk menentukan desain pemanas induksi ini menggunakan cara tial (toroidal) dengan langkah pemanas sebagai berikut : 1. Lilitan disesuaikan dengan bahan inti kumparan,apabila garis bentuk inti kumparan tidak tajam maka harus dibuat dan lilitan harus posisi tengah kumparan. 2. Karena pojok – pojok tajam dari inti besi akan panas terlebih dahulu dan ini karena kensentrasi fluksi dan ketiadaan masa , maka lilitan harus diletakkan pada bagian-bagian tersebut. 3. Jika logam yang berbeda dijadikan pemanas, maka fluksi magnetic akan terkonsentrasi pada logam yang paling lambat untuk panas. Untuk itu digunakan baja magnetic untuk inti besinya dan juga untuk bahan yang dipanaskan, hal ini disebabkan baja magnetic lebih mudah panas.
35
4. Pada pengerasan lilitan pada tepi kumparan harus digandakan untuk pembatasan peralatan, hal ini dikarenakan lapisan luar lilitan jauh kurang efisiensi dibandingkan dengan lapisan sebelumnya. 5. Tipe dan ukuran lilitan yang digunakan pada kumparan ditentukan oleh dua factor antara lain kemampuan daya dari sumber AC dan harga maksimum induktansi yang diperbolehkan.
2.8 Ukuran Pemanasan Dari Pemanas Induksi Salah satu yang penting dari desain pemanas induksi ini adalah hasil pengukuran pemanasan yang berupa panas (kalor ). Dengan mengetahui ukuran pemanasan yang dihasilkan, maka kita dapat memperkirakan apakah alat ini dapat diterapkan pada dunia industri sekarang ini. Hal ini bergantung pada beberapa factor antara lain desain pemanas induksi tersebut dan kapasitas dari sumber AC yang digunakan pada pemanas induksi. Apabila suhu pada inti besi yang telah terhubung pada sumber AC terjadi kenaikan, maka pemanas induksi ini dapat dikatakan sudah dapat berfungsi dengan baik. Kenaikan suhu yang terjadi pada inti besi tersebut disebabkan oleh rugi-rugi arus eddy. Rugi arus eddy ini merupakan factor utama dalam menentukan hasil ukuran pemanas yaitu berupa kalor yang sesuai dengan ke inginan. Ukuran pemanasan pada pemanas induksi ini akan dapat kita ketahui dengan mengukur kalor pada inti besi. Kemudian kita dapat membandingkan hasil ukuran pemanasan yaitu apabila kita menggunakan inti besi yang berbeda ukurannya. Sebelum kita mengetahui berapa kalor yang dihasilkan oleh pemanas induksi tersebut terlebih dahulu kita harus mengetahui defenisi kalor. Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara suatu system dan linkungannya sebagai akibat perbedaan temperature (suhu).
36
Berikut ini adalah persamaan untuk mendapatkan besar kalor pada pemanas induksi : Q = m.c. ∆T……………………………………………….( 2.14 ) Keterangan : Q = Kalor
(kalori)
∆T = kenaikan suhu
(0c)
m = massa inti besi
(gr)
c = kalor jenis besi
(0,11 kal/g 0c)
Satuan dari kalor adalah kalor memiliki hubungan dengan energy mekanik, dimana satuan energy mekanik adalah joule sehingga telah ditetapkan dari hukum kekekalan energy bahwa : 1 kalori = 4,186 joule. Setelah kita mengetahui kalor yang dihasilkan, maka kita dapat mengetahui kapasitas dari kalor yang dihasilkan tersebut dengan persamaan sebagai berikut : C=
………………………………………………...........(2.15)
Keterangan :
C = kapasitas kalor
(kal/0c)
Q = kalor
(kalori)
∆T = kenaikan suhu
(0c)
Harga kalor yang telah diketahui akan penulis ubah ke energy mekanik dengan joule, yaitu untuk mengetahui perbandingan watt yang dihasilkan dari rugi-rugi arus eddy dengan watt yang dihasilkan dari kalor maka satuan joule tersebut kita bagi dengan waktu yang digunakan untuk pemanasan. Maka digunakan persamaan : P= Keterangan :
,sehingga Q = P. P = Daya
………...........................(2.16) (watt)
37
Q = kalor yang dihasilkan = waktu
(joule) (detik)
Demikian persamaan yang digunakan dimana kalor yang dihasilkan berbanding selisih waktu yang diperoleh. (Rencono wati,2000).
2.9 MOSFET Rangkaian driver ini terdiri dari MOSFET. Mosfet yang digunakan pada rangkaian ini adalah Mosfet 16BT, FIB 16 AJ_FGA25N12. Struktur dari Sebuah transistor efek-medan semikonduktor–logam–oksida (MOSFET) adalah berdasarkan pada modulasi konsentrasi muatan oleh kapasitansi MOS di antara elektrode badan dan elektrode gerbang yang terletak di atas badan dan diisolasikan dari semua daerah peranti dengan sebuah lapisan dielektrik gerbang yang dalam MOSFET adalah sebuah oksida, seperti silikon dioksida. Jika dielektriknya bukan merupakan oksida, peranti mungkin disebut sebagai FET semikonduktor–logam–terisolasi (MISFET) atau FET gerbang–terisolasi (IGFET). Pada rangkaian driver berfungsi sebagai pengendali arus agar positif diarahkan kepositif dan negatif diarahkan kenegatif. Pada rangkaian ini Mosfet digunakan sebanyak 2 . MOSFET bekerja sebagai switching untuk menghasilkan tegangan tinggi pada beban. Ada dua jenis MOSFET, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua jenis enhancement-mode. Jenis MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP (micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern saat ini. Namun jenis mosfet yang digunakan pada alat ini adalah MOSFET Depletion-mode . Gambar berikut menunjukkan struktur dari transistor jenis ini. Pada sebuah kanal semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p dengan menyisakan sedikit celah. Dengan demikian diharapkan elektron akan mengalir dari source menuju drain
38
melalui celah sempit ini. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis SiO2 yang tidak lain adalah kaca.
Gambar 2.9. struktur MOSFET depletion-mode
Semikonduktor tipe p di sini disebut subtrat p dan biasanya dihubung singkat dengan source. Ingat seperti pada transistor JFET lapisan deplesi mulai membuka jika VGS = 0.Dengan menghubung singkat subtrat p dengan source diharapkan ketebalan lapisan deplesi yang terbentuk antara subtrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan gate terhadap source. Pada gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning. Semakin negatif tegangan gate terhadap source, akan semakin kecil arus drain yang bisa lewat atau bahkan menjadi 0 pada tegangan negatif tertentu. Karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Selanjutnya jika tegangan gate dinaikkan sama dengan tegangan source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi muali membuka. Sampai di sini prinsip kerja transistor MOSFET depletion-mode tidak berbeda dengan transistor JFET. Karena gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Di sini letak perbedaannya dengan JFET, transistor MOSFET depletion-mode bisa bekerja sampai tegangan gate positif. Pabrikasi MOSFET depletion-mode
39
Gambar2.10 : Penampang D-MOSFET (depletion-mode)
Struktur ini adalah penampang MOSFET depletion-mode yang dibuat di atas sebuah lempengan semikonduktor tipe p. Implant semikonduktor tipe n dibuat sedemikian rupa sehingga terdapat celah kanal tipe n. Kanal ini menghubungkan drain dengan source dan tepat berada di bawah gate. Gate terbuat dari metal aluminium yang diisolasi dengan lapisan SiO2.
2.10 TERMOKOPEL Termokopel (Thermocouple) adalah jenis sensor suhu yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur suhu melalui dua jenis logam konduktor berbeda yang digabung
pada
ujungnya
sehingga
menimbulkan
efek
“Thermo-
electric”. Efek Thermo-electric pada Termokopel ini ditemukan oleh seorang fisikawan Estonia bernama Thomas Johann Seebeck pada Tahun 1821, dimana sebuah logam konduktor yang diberi perbedaan panas secara gradient akan menghasilkan tegangan listrik. Termokopel merupakan salah satu jenis sensor suhu yang paling populer dan sering digunakan dalam berbagai rangkaian ataupun peralatan listrik dan Elektronika yang berkaitan dengan Suhu (Temperature). Beberapa kelebihan Termokopel yang membuatnya menjadi populer adalah responnya yang cepat terhadap perubahaan suhu dan juga rentang suhu operasionalnya yang luas yaitu berkisar diantara -200˚C hingga 2000˚C. Selain
40
respon yang cepat dan rentang suhu yang luas, Termokopel juga tahan terhadap goncangan/getaran dan mudah digunakan.
2.10.1 Termokopel Tipe N Tipe termokopel yang digunakan . Stabilitas tinggi dan ketahanannya terhadap oksidasi suhu tinggi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200 °C. Sensitifitasnya sekitar 39 µV/°C pada 900 °C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan dari tipe K Termokopel tipe B, R dan S adalah termokopel 'logam mulia'. Semuanya (tipe B,R,S) adalah yang paling stabil dari semua termokopel yang ada, namun karena sensitivitasnya yang rendah (kira-kira 10 v / ° C), mereka biasanya hanya digunakan untuk pengukuran suhu tinggi (> 300 ° C). Termokopel tersedia dalam berbagai ragam rentang suhu dan jenis bahan. Pada dasarnya, gabungan jenis-jenis logam konduktor yang berbeda akan menghasilkan rentang suhu operasional yang berbeda pula. Berikut ini adalah Jenis-jenis atau tipe Termokopel yang umum digunakan berdasarkan Standar Internasional.
Gambar2.11 : Jenis termokopel yang digunakan Bahan logam konduktor positif : Nicrosil Bahan Logam Konduktor Negatif : Nisil , Rentang Suhu : 0˚C – 1250˚C
41
2.10.2 Prinsip Kerja Termokopel Prinsip kerja Termokopel cukup mudah dan sederhana. Pada dasarnya Termokopel hanya terdiri dari dua kawat logam konduktor yang berbeda jenis dan digabungkan ujungnya.
Satu jenis logam konduktor yang terdapat pada
Termokopel akan berfungsi sebagai referensi dengan suhu konstan (tetap) sedangkan yang satunya lagi sebagai logam konduktor yang mendeteksi suhu panas. Untuk lebih jelas mengenai Prinsip Kerja Termokopel, gambar dibawah ini
Gambar2.12 : Prinsif kerja termokopel Berdasarkan Gambar diatas, ketika kedua persimpangan atau Junction memiliki suhu yang sama, maka beda potensial atau tegangan listrik yang melalui dua persimpangan tersebut adalah “NOL” atau V1 = V2. Akan tetapi, ketika persimpangan yang terhubung dalam rangkaian diberikan suhu panas atau dihubungkan ke obyek pengukuran, maka akan terjadi perbedaan suhu diantara dua persimpangan tersebut yang kemudian menghasilkan tegangan listrik yang nilainya sebanding dengan suhu panas yang diterimanya atau V1 – V2. Tegangan Listrik yang ditimbulkan ini pada umumnya sekitar 1 µV – 70µV pada tiap derajat Celcius. Tegangan tersebut kemudian dikonversikan sesuai dengan Tabel referensi yang telah ditetapkan sehingga menghasilkan pengukuran yang dapat dimengerti.
