PERANCANGAN PERANGKAT SISTEM PELAYANGAN MAGNETIK (MAGNETIC LEVITATION)

Transkripsi

1 PERANCANGAN PERANGKAT SISTEM PELAYANGAN MAGNETIK (MAGNETIC LEVITATION) TUGAS AKHIR Oleh : Elfira Sari PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 PERANCANGAN PERANGKAT SISTEM PELAYANGAN MAGNETIK (MAGNETIC LEVITATION) TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi syarat kelulusan tahap pendidikan strata-1 pada Program Studi Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung Oleh : Elfira Sari Pembimbing : Dr-Ing. Yul Yunazwin Nazaruddin, M.Sc., DIC Dr. Ir. Suyatman PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

3 LEMBAR PENGESAHAN Laporan Tugas Akhir TF-40Z1 Program Studi Teknik Fisika - Institut Teknologi Bandung Judul Penelitian Tugas Akhir PERANCANGAN PERANGKAT SISTEM PELAYANGAN MAGNETIK (MAGNETIC LEVITATION) Nama Mahasiswa : Elfira Sari NIM : Telah diperiksa dan disetujui pada tanggal 28 Juni 2007 Pembimbing I Pembimbing II Dr-Ing. Yul Yunazwin Nazaruddin, M.Sc., DIC Dr. Ir. Suyatman

4 ABSTRAK Penggunaan sistem pelayangan magnetik telah menarik perhatian para peneliti belakangan ini khususnya pada penerapannya untuk perancangan kereta api berbasis prinsip tersebut (maglev train). Dalam tugas akhir ini, akan dicoba dirancang model dari sistem pelayangan magnetik dengan menggunakan benda berbentuk bola. Untuk mengetahui kerja sebenarnya dari sistem, telah dibuat suatu perangkat keras yang dapat dijalankan secara real-time. Perangkat yang dibuat tersebut menggunakan pengontrol on-off, sensor infra merah, dan aktuator berupa sebuah kumparan elektromagnet. Perangkat dibuat menggunakan rangkaian-rangkaian elektronik yang diintegrasikan menjadi sebuah sistem yang dapat diamati secara langsung. Sistem pelayangan magnetik adalah sistem yang sangat tidak stabil dan memerlukan respons yang cepat karena dipengaruhi oleh percepatan gravitasi bumi yang sangat tinggi. Selain respons yang cepat, diperlukan juga sistem kontrol yang dapat menjaga kestabilan posisi bola pada harga yang diinginkan. Integrasi rangkaian menyebabkan sinyal yang dihasilkan phototransistor (sensor) menjadi tidak stabil sehingga diperlukan suatu rangkaian penguat instrumentasi agar sinyal dari sensor tidak terpengaruh oleh impedansi keluaran maupun alat ukur. Sinyal juga harus dibuat menjadi tajam untuk mengaktifkan pengontrol secara akurat sehingga diperlukan rangkaian diferensial sinyal. Dari berbagai hasil percobaan yang dilakukan, diperoleh hasil perangkat sistem pelayangan magnetik yang dibuat dapat menjaga kestabilan bola pada posisi yang diinginkan antara mm, tergantung pada ukuran dan berat bola yang dilayangkan, termasuk juga menjaga kestabilan jika diberikan sedikit gangguan secara horizontal. Kata kunci : pengontrol on-off, kumparan, sensor infra merah, bola besi, real-time, rangkaian penguat. i

5 KATA PENGANTAR Puji syukur Penulis haturkan ke hadirat Tuhan Yang Mahaesa. Atas berkat dan karunianya, penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. Laporan tugas akhir ini berjudul Perancangan perangkat Sistem Pelayangan Magnetik (Magnetic Levitation). Dalam mengerjakan tugas akhir ini, Penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini Penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Orang tua, dan adik-adik tercinta atas doa tulus, dukungan moril, materiil, dan spirituil yang tidak pernah berhenti, serta kepercayaan yang diberikan kepada Penulis untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Dr.-Ing Yul Yunazwin Nazaruddin, M.SC.,DIC., selaku pembimbing tugas akhir atas segala bimbingan dan kesabaran dalam pengerjaan tugas akhir ini. 3. Dr. Ir. Suyatman, selaku pembimbing tugas akhir dan dosen wali, yang selalu memberikan bimbingan dan pengarahan selama perjalanan Penulis melaksanakan studi di Teknik Fisika Institut Teknologi Bandung. 4. Ir. Hermawan K. Dipojono, MSEE, PhD. Selaku penguji dalam pembicaraan tugas akhir atas segala masukan yang telah diberikan. 5. Danang Kukuh Wibowo, yang telah memberikan waktu dan tenaga untuk membantu pengerjaan tugas akhir, persiapan presentasi, dan transportasi. 6. Teknisi yang selalu memberikan dukungan selama pengerjaan tugas akhir : Pak Iyan dan Pak Iwan. 7. Teman-teman seperjuangan dan diskusi : Indrawan Tanjung, Suprianto Kamijaya, Prihatmaka, Fuady Rhamdani, dan Dwi Fajar Kurniawan. 8. Teman-teman Teknik Fisika 2000, 2001, 2002, dan 2003 yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas bantuan dan kesempatan untuk berjuang bersama. 9. Segenap pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu atas peran sertanya dalam pengerjaan tugas akhir ini atas segala dukungan, dan doa. ii

6 Penulis menyadari bahwa dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala kritik dan saran yang membangun akan diterima dengan tangan terbuka. Akhir kata penulis mohon maaf apabila ada kesalahan yang dilakukan dalam tugas akhir ini. Semoga tugas akhir ini dapat memberi makna dan manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Bandung, Juni 2007 Penulis iii

7 DAFTAR ISI Hal ABSTRAK i KATA PENGANTAR ii DAFTAR ISI iv DAFTAR SIMBOL vi DAFTAR GAMBAR vii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Identifikasi Masalah Tujuan Batasan Masalah Metodologi Sistematika Pembahasan 4 BAB 2 TEORI DASAR Pendahuluan Bahan Magnetik Perbandingan Elektromagnet dengan Magnet Permanen Elektromagnet Garis Gaya Magnet Pengontrol Prinsip Dasar Pengontrol On-off Rangkaian Elektronik Pengontrol Rangkaian Penguat Linier Rangkaian Diferensial Operational Amplifier (Op-amp) Pendahuluan Penguat Tak Membalik Pengikut Tegangan (Voltage Follower) 15 iv

8 Komparator Penguat Perbedaan (Differential Amplifier) Penguat Instrumentasi (Instrumentation Amplifier) Light Emitting Diode (LED) Phototransistor 18 BAB 3 PERANCANGAN Deskripsi Umum Alat Komponen Permodelan Kumparan Elektromagnet (Solenoida) Bola Rangkaian Sensor Infra Merah Rangkaian Pengontrol LED Indikator Kerangka Perangkat Rangkaian Aktuator Sumber Tegangan 26 BAB 4 ANALISIS DAN DATA Pendahuluan Kuat Medan Magnet Kinerja Kumparan Penempatan Phototransistor Pemantauan Phototransistor Jarak Aktuator dengan Bola 31 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran 33 DAFTAR PUSTAKA 34 LAMPIRAN A SKEMATIK RANGKAIAN ELEKTRONIK 35 v

9 DAFTAR SIMBOL µ : permeabilitas bahan B : kuat medan magnet L : panjang kumparan v : besar tegangan listrik R : besar hambatan listrik i : besar arus listrik N : jumlah lilitan A : luas permukaan benda yang kena garis-garis gaya magnet C : nilai kapasitansi vi

10 DAFTAR GAMBAR Hal Gambar 2.1 Skematik Perangkat Pelayangan Magnetik Bola 5 Gambar 2.2 Gambar Elektromagnet dan Ilustrasi Garis Gaya Magnet 9 Gambar 2.3 Sistem Kontrol Lup Tertutup 10 Gambar 2.4 Rangkaian Diferensial 12 Gambar 2.5 Rangkaian Diferensial Setelah Kapasitor Terisi Penuh 13 Gambar 2.6 Skematik Op-amp 14 Gambar 2.7 Skematik Rangkaian Pengikut Tegangan 15 Gambar 2.8 Skematik Rangkaian Komparator 16 Gambar 2.9 Skematik Rangkaian Penguat Perbedaan 16 Gambar 2.10 Skematik Rangkaian Penguat Instrumentasi 17 Gambar 2.11 Transistor Dwikutub (npn) 18 Gambar 3.1 Skema Perancangan Sistem Lup Tertutup 20 Gambar 3.2 Skema Lengkap Rancangan Perangkat Pelayangan Magnetik Bola 21 Gambar 3.3 Ilustrasi Rangkaian Pengolahan Sinyal Sensor 22 Gambar 3.4 Skema Rangkaian Pengontrol 23 Gambar 3.5 Rangkaian Aktuator 25 Gambar 4.1 Perangkat Sistem Pelayangan Magnetik Bola 27 Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Kuat Medan Magnet 28 Gambar 4.3 Tampilan Osiloskop Pengukuran Tegangan pada Kumparan 29 Gambar 4.4 Letak Phototransistor dan LED Infra Merah 30 Gambar 4.5 Grafik Hubungan Tegangan Sinyal Referensi dan Posisi 31 vii