BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI A. 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 nonkontak 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. 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 5

2 6 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 masuk dalam kumparan kerja yang di aliri oleh arus AC, maka nilai arus yang mengalir akan mengikuti besarannya sesuai dengan nilai beban yang masuk. Medan magnet yang tinggi akan 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. B. Komponen Elektronika 1. Mosfet MOSFET merupakan singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor yang merepresentasikan bahan-bahan penyusunnya yang terdiri dari logam, oksida dan semikonduktor (Baskara Internalis, 2007). Terdapat 2 jenis MOSFET yaitu tipe NPN atau N channel dan PNP atau biasa disebut P channel. MOSFET dibuat dengan menyusun lapisan oksida pada semikonduktor dari tipe NPN maupun PNP dan lapisan logam diletakkan diatasnya. Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah silikon, namun beberapa produsen IC, terutama IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan germanium (SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik

3 7 daripada silikon, seperti galium arsenid (GaAs), tidak membentuk antarmuka semikonduktor ke isolator yang baik sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan semikonduktor lainnya. Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon. Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipis isolator yang secara tradisional adalah silikon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulai memperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di teknologi 45 nanometer. Gambar 1. Skema MOSFET Sederhana

4 8 2. Dioda Dioda atau diode adalah sambungan bahan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagi saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada diode ideal-konseptual. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7 V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon) pada anoda terhadap katoda agar dioda dapat menghantarkan arus listrik. Tegangan sebesar 0,7 V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V. Gambar 2. Susunan dan Simbol Dioda

5 9 3. Resistor Hambatan adalah komponen elektronika yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena dia berfungsi sebagai pengatur arus listrik. Hambatan disingkat dengan huruf "R" (huruf R besar). Satuan Hambatan adalah Ohm, yang menemukan adalah George Simon Ohm ( ), seorang ahli fisika bangsa Jerman. Hambatan listrik dapat didistribusikan sesuai dengan kebutuhan. Gambar 3. Resistor Perhatikan gambar 3, sebuah Hambatan mempunyai jumlah cincin sebanyak 5 diantaranya yaitu cincin pertama, cincin kedua, cincin ketiga (multiflier), cincin keempat (toleransi), dan cincin kelima (kualitas). Pada gambar 3 kita dapatkan bahwa hambatan tersebut berwarna biru, merah, merah, emas dan merah.

6 10 4. Kapasitor Kondensator (Capasitor) adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad. Ditemukan oleh Michael Faraday ( ). Kondensator kini juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alessandro Volta seorang ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Italia condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya. Kebanyakan bahasa dan negara yang tidak menggunakan bahasa Inggris masih mengacu pada perkataan bahasa Italia "condensatore", seperti bahasa Perancis condensateur, Indonesia Kondensator dan Jerman atau Spanyol Condensador. a) Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung. Gambar 4. Salah Satu Jenis Kondensator Beserta Lambangnya

7 11 b) Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju yang sering disebut kapasitor (capacitor). Gambar 5. Salah Satu Jenis Kapasitor Beserta Lambangnya Namun kebiasaan dan kondisi serta artikulasi bahasa setiap negara tergantung pada masyarakat yang lebih sering menyebutkannya. Kini kebiasaan orang tersebut hanya menyebutkan salah satu nama yang paling dominan digunakan atau lebih sering didengar. Pada massa kini, kondensator sering disebut kapasitor (capacitor) ataupun sebaliknya yang pada ilmu elektronika disingkat dengan huruf (C).

8 12 C. Medan Magnet Magnet dapat kita artikan sebagai sebuah benda yang mempunyai sifat yang saling tarik-menarik terhadap benda-benda besi. Meskipun demikian tidak berarti bahwa semua potongan besi dapat dibuat magnet, apabila benda tersebut dapat dibuat magnet maka tidak akan dapat bertahan lama terhadap sifat-sifat magnet. Jika kita membuat sebatang magnet yang ringan sehingga dapat berputar maka magnet tersebut akan mengambil kedudukan dengan arah tertentu dan arahnya sesuai dengan garis yang menghubungkan ke kutub utara dan kutub selatan. Dengan adanya magnet maka akan timbul suatu medan magnet, jadi kita dapat mengartikan bahwa medan magnet merupakan suatu ruangan dimana magnet tersebut bekerja. Pada sebuah magnet terdapat dua kutub (dwi kutub) yaitu kutub utara dan kutub selatan, karena jarum penunjuk kompas menjahui kutub utara (U) dan mendekati kutub selatan (S). Di mana garis-garis medan magnet keluar dari kutub utara dan masuk ke kutub selatan. Dari garis-garis magnet maka akan timbul medan magnet dalam suatu ruangan apabila muatan listrik yang bergerak dalam ruangan tersebut mengalami gaya tertentu selama muatan itu bergerak. Supaya gambaran tentang bahan magnetik mempunyai dasar kuantitatif, maka dwi kutub magnetik sangat berguna sebagai sumber terbesar pada medan magnet. Arus medan magnet terdiri dari gerak muatan terikat dan kuat medan magnet sehingga disebut dengan magnetisasi. Medan magnet yang ditimbulkan oleh penghantar yang dialiri arus listrik dapat kita ketahui bahwa garis-garis medan magnetnya selalu tertutup sebab

9 13 medan magnet tidak memiliki sumber dan penerima. Jadi garis gaya tersebut akan menunjukkan arah medan magnet dan jumlah garis-garis gaya tiap-tiap nya akan menunjukkan besarnya kekuatan medan magnet. Pada gambar dibawah ini di mana medan magnet yang terdapat pada lilitan panjang (kumparan) yang di aliri arus listrik yaitu di dalam kumparan tersebut medan magnet berasal dari setiap lingkaran lilitan. Pada setiap lilitan akan bertumpukan satu dengan yang lain sehingga terdapat harga intensitas medan (H). Untuk mencari intensitas medan magnet maka besar-kecilnya arus yang mengalir pada kumparan tersebut harus selalu diperhitungkan secara cermat. Gambar 6. Medan magnet sebuah penghantar berbentuk lilitan panjang Pada gambar di atas maka dapat kita ketahui yaitu apabila suatu sumber tegangan (V) mengalirkan arus listrik (I) yang melalui suatu kumparan dengan jumlah lilitan (N) pada inti besinya akan timbul suatu kuat medan (H) dengan persamaan, (Ambar Rencono Wati, 2000:17). H =

10 14 Keterangan: H = Kuat Medan Magnet (A/m) N = Jumlah Lilitan l = Panjang Kumparan I = Arus (m) (Ampere) Suatu medan magnet yang ditunjukkan dengan garis gaya magnetik vektor B dititik garis medan dan berarah menurut garis singgung pada garis medan dititik akan menimbulkan kerapatan fluks magnatik (B). Kerapatan fluks magnetik yang dihasilkan akan memiliki hubungan dengan intensitas medan magnet. Hubungan diantara keduanya sangat dipengaruhi oleh sifat bahan magnetik yang digunakan untuk menghasilkan B dan H dan sifat itu disebut dengan permeabilitas (µ). Permeabilitas (µ) merupakan faktor untuk membandingkan kemampuan suatu material magnet dalam menghantarkan fluksi magnet terhadap penghantar ruang hampa, dengan definisi sebagai berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000:18). µ = µ = Permeabilitas (Wb/A.m) B = Perubahan Kerapatan Fluks (Wb/ ) H = Perubahan Intensitas Medan Magnet (A/m) Pada setiap bahan magnetik memiliki harga permeabilitas yang berbedabeda, dan permeabilitasnya dikondisikan diruang hampa. Kondisi permeabilitas

11 15 pada ruang hampa memiliki nilai standart 1, sedangkan untuk ketiga bahan magnetik tersebut di tunjukkan pada tabel dibawah ini: Tabel 1. Kondisi Permeabilitas Pada Bahan Magnetik Bahan Kondisi Permeabilitas Diamagnetik µ < 1 Paramagnetik µ > 1 Ferro / Ferrimagnetik µ > 1 Gambaran tentang sebuah medan magnet dapat kita lukiskan sebagai garis gaya magnetik dengan vektor B dititik garis medan dititik tersebut. Apabila garis gaya magnet dilukiskan sedemikian rupa sehingga jumlah garis gaya total yang masuk secara tegak lurus sama dengan nilai B, maka jumlah garis gaya total yang ada pada medan magnet tersebut disebut dengan fluks magnetik (Φ). Satuan fluksi magnet (Φ) adalah weber (Wb) di mana jika fluks magnetik yang melalui luas A adalah jumlah garis fluks yang menembus luas permukaan dengan komponen B yang tegak lurus permukaan A maka, (Ambar Rencono Wati, 2000:19). Φ = B. A Φ = Fluks Magnetik (Wb) B = Kerapatan Fluks Magnet (Wb/ ) A = Luas Penampang ( )

12 16 Kerapatan dari sebuah fluksi magnetik nilainya dapat kita lihat dari kerapatan fluks magnet (B) dalam ruang hampa, tetapi kerapatan fluks dapat kita ketahui apabila komponen medan yang lain diketahui sesuai persamaan dibawah ini, (Ambar Rencono Wati, 2000:19). B = µo. H B = Kerapatan Fluksi Magnet (Wb/ ) µo = Permeabilitas Relatif (Wb/A.m) H = Intensitas Medan Magnet (A/m) Kerapatan fluks magnet (B) diukur dalam weber per meter persegi (Wb/ ) atau dalam satuan internasioal disebut dengan Tesla (lt = 1 Wb/ ). Di dalam rangkaian magnetik jumlah NI adalah jumah ampere-lilitan total, jadi suatu agm (mmf) sangat dibutuhkan untuk menimbulkan medan magnetik dalam inti. Salah satu suku yang mengalikan fluks magnetik adalah Reluktansi (R) dan merupakan parameter resistansi. Reluktansi nilaiya akan berpengaruh pada kemampuan daya hantar magnet dengan persamaan, (Ambar Rencono Wati, 2000:20). R = R = Reluktansi L = Panjang Lilitan ( A/Wb) (m)

13 17 A = Luas Penampang ( ) µ = Permeabilitas (Wb/A.m) D. Induktansi Induktansi (imbasan) merupakan parameter terakhir dari tiga parameter dalam teori rangkaian diantaranya yaitu resistansi dan kapasitansi, untuk mengetahui lebih jelas tentang induktansi maka penjelasan tentang fluks magnet sangat diperlukan. Apabilah sebuah medan berubah - ubah terhadap waktu sebagai akibat arus bolak balik sinusoida maka akan terdapat sebuah medan listrik yang diinduksikan. Salah satu contoh yaitu kita tinjau sebuah lilitan melingkar (kumparan) yang memiliki jumlah lilitan (N) dan dialiri arus (I) sehingga menimbulkan fluks total (Φ), dimana fluksnya bertautan dengan masing - masing lilitan. Dari lilitan tersebut maka akan kita lihat masing - masing lilitan yang saling bertautan dengan fluks total. Keterangan untuk contoh di atas dapat kita analogikan menjadi dengan defenisi kapasitansi sehingga induktansi itu sendiri dapat didefinisikan sebagai hasil bagi dari pertautan fluks total dengan arus yang bertautan dengan persamaan sebagai berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000:22). L = L = Induktansi (Henry) N = Lilitan Φ = Fluks Total (Wb)

14 18 I = Arus (Ampere) E. Solenoida Solenoida merupakan sekumpulan lilitan bersambung satu dengan yang lain dan berbentuk lurus memanjang. Penampang masing - masing lilitan membentuk satu sumbu lurus dan tegak lurus dengan sumbu tersebut, untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada gambar dibawah ini : Gambar 7. Bentuk Lilitan Solenoida Persamaan untuk kuat medan akan dimasukkan pada persamaan induktansi maka diperoleh bentuk persamaan baru untuk induktansi solenoida yang berbentuk lingkaran yaitu sebagai berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000:23). Ls = Ls = Induktansi solenoida (Henry) N = Jumlah Lilitan = Permeabilitas (H/m) l = Panjang Solenoida a = Jari - jari penampang lilitan (m) (m)

15 19 Setelah persamaan untuk menghitung induktansi dengn penampang yang berbentuk lingkaran sudah kita ketahui, maka dapat kita lihat bahwa induktansi solenoida tergantung pada besaran geometris solenoida dan konstanta permeabilitas magnet bahan magnetik. F. Histerisis Energi yang dibutuhkan untuk memutar dipol magnetik dalam bahan yang kemudian hilang dalam bentuk kalor (panas), akan menimbulkan kerugian akibat histerisis dan disebut dengan rugi - rugi histerisis. Definisi rugi - rugi histerisis dapat kita artikan sebagai rugi - rugi yang timbul karena fluks bolak - balik yang ada pada inti besi dengan persamaan, (Ambar Rencono Wati, 2000:29). Ph = Kh f Ph = Rugi - rugi Histerisis (Watt) Kh = Konstanta Histerisis = Fluks Maksismum (Wb/ ) f = Frekuensi (Hz) Untuk Kh adalah tetapan pembanding yang besarnya tergantung pada karakteristik dan volume besi dan satuan yang dipergunakan. Untuk pangkat n harganya berkisar antara 1,5 sampai dengan 2,5 tetapi biasanya diambil 2 dalam memperkirakan hasil tampilan.

16 20 G. Arus Eddy (Eddy Current) Jika sebuah logam ditempatkan di dalam suatu kumparan elektromagnetik dan dialiri arus AC, maka akan timbul ggl (gaya gerak listrik) induksi di dalam logam tersebut. Di dalam logam tersebut terdapat banyak jalur konduksi yang terdiri dari aliran gaya gerak listrik induksi dalam jalur tertutup. Arus induksi dalam jalur tertutup ini dinamakan arus pusar (Eddy Current), (Ambar Rencono Wati, 2000:31). Pe = Ke ( f Pe = Rugi - rugi Arus Eddy (Watt) Ke = Konstanta Eddy = Fluks Magnetik (Wb/ ) f = Frekuensi (Hz) Kedua persamaan rugi - rugi diatas yaitu rugi - rugi histerisis dan rugi - rugi arus eddy kita dapat jelaskan 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, (Ambar Rencono Wati, 2000:32). Rugi - rugi = Pe + Ph Pe = Rugi - rugi Arus Eddy (Watt) Ph = Rugi - rugi Histerisis (Watt)

17 21 Efisiensi yang ditentukan dari pengukuran rugi - rugi dapat dipergunakan untuk membandingkan alat sejenis jika metode pengukurannya dan perhitungannya sama. Persamaan efisiensi dinyatakan sebagai berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000:33). Efisiensi (η) = + Kumparan pemanas induksi yang berfungsi sebagai beban merupakan pengaplikasian dari sumber AC yang berfrekuensi tinggi, dalam penerapannya maka pada permukaan kumparan dapat diletakkan sebuah lempeng baja. Pemanas akan dikondisikan sesuai dengan frekuensi yang dihasilkan sumber AC sehingga proses dari pemanas induksi ini akan terlihat dengan mengamati perubahan temperatur pada inti besi tersebut. Sejumlah disipasi daya, seperti panas pada bagian permukaan logam dalam hubungannya dengan kepekaan fluks magnit, frekuensi dan karakteristik bahan atau logam yang dipanaskan akan diperoleh dari persamaan, (Ambar Rencono Wati, 2000:35). ΔP = ΔP = Disipasi Daya (Arus Eddy) Ht = Kerapatan Fluks (Wb/ ) = Resistivitas Besi (Ω m) µ = Permeabilitas (Wb/A.m) f = Frekuensi (Hz)

18 22 Disipasi daya yang akan dihasilkan dari persamaan di atas merupakan harga dari arus eddy, sebab disipasi daya ini berfungsi sebagai arus eddy. Karena kerapatan fluksi magnetik (Ht) setara pada putaran ampere dari dalam lilitan, maka faktor H dapat digantikan dengan dengan catatan kondisi waktu konstan. Pada saat pemanas induksi yang telah menghasilkan panas, maka kedalaman penembusan atau penetrasi (δ) dari panas tersebut kita ketahui. Karena N (Lilitan) adalah jumlah putaran lilitan yang bernilai analog maka kita dapat memprediksikan bahwa arus eddy akan menjadi magnitude yang paling besar pada permukaan objek yang dipanaskan yaitu lempeng logam. Dari persamaan medan magnetik dan intensitas elektrik yang maka kedalaman penetrasinya dapat kita ketahui dengan menggunakan persamaan berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000:36). δ = δ = Penetrasi (Penembusan) (Inchi) = Konduktivitas (m) = Permeabilitas (Wb/A.m) f = Frekuensi (Hz)

19 23 H. Kalor Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara suatu sistem dan lingkunganya sebagai akibat perbedaan temperatur (suhu). Berikut ini adalah persamaan untuk mendapatkan besar kalor, (Ambar Rencono Wati, 2000:42). Q = m c ΔT Q = Kalor (Kalori) ΔT = Kenaikan Suhu ( ) m = Massa Inti Besi (gr) c = Kalor Jenis Besi (0,11 Kal / g ) I. Waktu Pemanasan Pada setiap bahan yang dipanas sampai melebur memiliki waktu yang berbeda meskipun diberi daya yang sama. Ini dikarnakan setiap bahan memiliki karakteristik yang berbeda sehingga berdampak pada kalor yang berpindah. Persamaan yang digunakan untuk mengetahui waktu pemanasan dari setiap bahan sebagai berikut, (Ambar Rencono Wati, 2000). t = t = Waktu Pemanasan (Detik / Sekon ) Qt = Bahan Perantara (Wadah / Tungku ) Qb = Bahan Uji