BAB III PERANCANGAN ALAT

BAB III PERANCANGAN ALAT 3.1 Perancangan Alat Perancangan merupakan suatu tahap yang sangat penting dalam pembuatan suatu alat, sebab dengan menganalisa komponen yang digunakan maka alat yang akan dibuat dapat bekerja seperti yang diharapkan. Petunjuk yang memuat spesifikasi komponen atau datasheet merupakan petunjuk yang sangat penting dalam melakukan perancangan alat, maka kegiatan selanjutnya adalah buat ke dalam bentuk yang lebih kompleks. Untuk mendapatkan hasil yang optimal, harus terlebih dahulu dibuat suatu rancangan yang baik. Dengan memperhatikan sifat dan karakteristik dari tiap-tiap komponen yang digunakan, pada saat perancangan alat dan sistem sehingga dapat mempermudah dalam pengerjaan. 3.2 Konfigurasi Sistem Motor sebagai media penggerak utama pada generator DC dengan putaran gear mekanik yang menghasilkan arus searah 12 15 Volt DC. Daya yang dihasilkan generator DC kemudian dikoversikan ke sistem charger baterai. Teganggan pada baterai/accu diubah tegangannya pada sistem inverter (mengubah teganggan searah DC menjadi tegangan bolakbalik AC) dengan arus bolak balik 220V. 18

19 3.3 Blok Diagram Sistem Rangkaian Diagram sistem rangkaian merupakan salah satu bagian terpenting dalam perancangan peralatan elektronik, karena diagram blok dapat diketahui prinsip kerja suatu rangkaian dari keseluruhan alat yang dibuat. Sehingga keseluruhan blok dari alat yang dibuat dapat membentuk suatu sistem yang dapat difungsikan atau sistem yang bekerja sesuai dengan perancangan. Keseluruhan dari diagram blok dari alat yang dibuat dapat dilihat pada gambar 3.1 dibawah ini. Gambar 3.1 Diagram Blok sistem Dari blok diagram diatas dapat dilihat bahwa putaran mekanik motor sebagai pengerak generator DC, Generator DC menghasilkan daya yang diproses ke charger untuk mengisi baterai / accu. Pada sitem inverter kemudia daya dari baterai / accu diproses dari tegangan DC menjadi tegangan AC. Besarnya daya yang dihasilkan inverterter tergantung pada besarnya daya suplay 12 volt misalnya 60A,10A,9A. Ukuran trafo juga sangat mepengaruhi daya inverter untuk menanmbah daya maka tambahkan transistor dengan jenis yang sama. Putaran motor kinetic dengan generator DC tersebut diproses melalui charger dan dikeluarkan kembali untuk mengisi baterai / accu. Generator akan menghasilkan tegangan apabila putaran dari motor konstan pada media mekanik putar. Sebelum merencanakan sistem perangkat electrical keseluruhan dari blok diagram diatas, sangat penting juga untuk mengambarkan sistem rangkaian electrical sehingga pada saat perancangan sudah mengetahui proses simulasi alat. Keseluruhan line diagram rangkaian yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.2 dibawah ini.

20 Gambar 3.2 Line diagram rangkaian elektrikal sistem 3.4 Perencanaan Sistem Perangkat Elektrical Perancangan sistem rangkaian electrikal bertujuan untuk menjalankan suatu sistem dengan fungsinya masing-masing. Sedangkan perancangan perangkat keras elektronik terdiri dari perancangan baterai/accu charger sebagai pusat pengontrolan pada waktu pengisian baterai/accu. Perancangan rangkaian invereter sebagai pengubah tegangan dc to ac. Pada perancangan sistem perangkat elektrikal terdapat beberapa bagian rangkaian, antara lain yaitu : Rangkaian baterai/accu charger. Rangkaian inverter DC to AC. Rangkaian control motor penggerak. Transformator (Trafo). Baterai/Accu. 3.5 Rangkaian Baterai / accu Charger. Rangkaian charger berfungsi sebagai pengisian baterai / accu yang sumber daya dari generator DC. Sumber dari generator DC diproses dan dijadikan saat pengisian dilakukan pada tegangan baterai / accu dengan level tertentu. Sedangkan untuk kontinyu, tegangan charger dibuat sama dengan tegangan penuh baterai / accu. Jika baterai / accu sudah terisi penuh maka led

21 indicator secara otomatis akan menyala dikarenakan kenaikan tegangan pada baterai / accu yang dicharger akan menyebabkan kenaikan arus yang mengalir pada basis transistor 1K serta akan memutuskan siklus pengisian akibat transistor 1,2 k mengalami pemutusan sistem (cut off) dikarenakan kekurangan arus basis. Pada kondisi tersebut akan mengalami kekurangan arus basis hal ini dikarenakan hampir semua arus pada R1 10 kohm akan berpindah ke diode D3 yang secara logika terhubung langsung dengan ground akibat Q2 mengalami jenuh. Sebagai penyimpanan tegangan 12 volt yang dibutuhkan oleh rangkaian charger adalah baterai / accu. Gambar 3.3 Line Diagram rangkaian charger baterai / accu. Gambar 3.4 Tampak atas perangkat charger Baterai

22 Gambar 3.5 Tampak belakang perangkat charger Baterai 3.6 Rangkaian Inverter Rangkaian inverter adalah suatu sistem yang mengubah tegangan searah DC menjadi tegangan AC. Inverter tidak mengubah besaran arus listrik tapi mengubah besaran tegangan atau voltase listrik dan polaritasnya. Meskipun kenyataannya arusnya juga berubah, yaitu menjadi lebih kecil. Secara teoritis daya yang dimasukkan kerangkaian akan sama dengan daya keluarannya. Jadi kalau dianggap sama sedangkan voltase keluaranya lebih tinggi maka arusnya akan menurun. Suatu inverter dengan sumber masukan DC berupa aki 12 volt 7.2 Amper maka daya arusnya adalah. Berdasarkan rumus daya maka besarnya arus (I) dapat diperoleh melalui persamaan : P = V x I (Watt) I = (Amper)

23 Dimana : P = Daya Aktif (Watt) P = V X I P = 12VDC x 7.2 = 86.4 watt S = Daya Nyata (VA) I = I =. = 0.39 Amper I = Arus (A) Sehingga arus keluaranya dengan tegangan 220VAC setelah di inverter adalah : P = V X I P = 220VAC x 0.39 = 85 watt Cara kerja inverter, Sebuah rangkaian inverter biasanya terdiri dari rangkaian flip-flop, penguat arus dan trafo. Flip-flop pada rangkaian yang berfungsi untuk membangkitkan denyut listrik dengan interval tertentu. Untuk inverter disetting 60 Hz sesuai dengan tegangan PLN. Denyut listrik dari flipflop adalah listrik berpolaritas AC, dengan arus yang relatif kecil. Untuk itu diperlukan penguat daya untuk menimbulkan fluks-fluks tegangan pada inti trafo dan kemudian menginduksi tegangan. Rangkaian inverter ditunjukan pada gambar berikut. Gambar 3.6 Line Diagram rangkaian Inverter

24 Gambar 3.7 Tampak atas Perangkat Inveter Gambar 3.8 Tampak belakang Perangkat Inveter 3.7 Rangkaian control motor penggerak Rangkaian motor penggerak berfungsi untuk meningkatkan dan menurunkan kecepatan pada putaran motor DC (Rpm). Pengendalian kecepatan putaran motor DC dengan memberikan sumber tegangan yang bervariasi sesuai yang di inginkan, diperlukan suatu rangkaian yang dapat menurunkan dan menaikkan sumber tegangan. Untuk keperluan tersebut diperlukan juga

25 komponen yang dapat dioperasikan secara manual serta diperlukan juga pengawatan yang berbeda-beda antara motor DC dengan masing-masing sumber tegangan yang besarnya berbeda. Cara kerja dari sistem rangkaian control motor pengerak, dengan pengendalian putaran kecepatan motor DC dengan resistor yang dirangkai secara seri tidak jauh beda dengan menggunakan sumber tegangan. Teknik lain yang dapat digunakan adalah dengan mengatur lebar pulsa dari sinyal potensio yang diatur yang diumpan kerangkaian kendali (driver) motor DC. Modulasi ini adalah dengan mengatur durasi waktu tunda positif di Q1 atau waktu tunda, untuk membangkitkan sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Semakin lebar waktu durasi tunda positif dari sinyal PWM yang dihasilkan maka putaran motor akan semakin cepat, demikian juga dengan sebaliknya. Rangkaian penggatur kecepatan motor ditunjukan pada gambar berikut. Gambar 3.9 Line Diagram rangkaian penggatur kecepatan motor DC

26 Gambar 3.10 Tampak atas rangkaian penggatur kecepatan motor DC DC Gambar 3.11 Tampak belakang rangkaian penggatur kecepatan motor 3.8 Transformator (Trafo) Transformator atau Trafo berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan arus bolak balik. Tranformator terdiri dari dua atau lebih kumparan yang satu sama lain terpisah. Kumparan yang satu dihubungkan dengan tegangan

27 input yang disebut kumparan primer, sedangkan tegangan outpu diambil dari tegangan skunder. Tranformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: Kumparan pertama (Primer) yang bertindak sebagai input. Kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai ouput. Inti besi berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan. Gambar 3.12 Rangkaian Trafo dan Transformator 3.8.1 Prinsip Kerja Transformator Prinsip kerja dari sebuah transformator adalah sebagai berikut. Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik, perubahan arus listrik pada kumpara primer menimbulkan medan magnet yang berubah. Medan magnet yang berubah diperkuat oleh adanya inti besi yang dihantarkann inti besi ke kumparan skunder, sehingga pada ujung-ujung kumparan sekunder akan timbul ggl induksi. Efek ini dinamakan induktansi timbal balik (mutual inductance). Pada skema transformatorr dibawah ini, ketika arus listrik dari sumber tegangan yang mengalir pada kumparan primer berbalik arah (berubah polaritasnya) medan magnet yang dihasilkan akan berubah arah sehingga arus listrik yang dihasilkan pada kumparan sekunder akan berubah polaritasnya.

28 3.8.2 Spesifikasi Transformator(Trafo) Pada perancangan rangkaian inverter yang mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC), Trafo yang digunakan adalah trafo step up 3 Amper. Transformator (trafo) digunakan menaikkan tegangan pada output. Gambar 3.13 Tampak kiri Trafo step up 3 Amper. Gambar 3.14 Tampak kanan Trafo step up 3 Amper.

29 Berdasarkan perbandingan antara jumlah lilitan primer dan jumlah lilitan sekunder transformator ada 2 jenis yaitu : 1. Transformator step up yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik rendah menjadi tinggi, transformator ini mempunyai jumlah lilitan sekunder lebih banyak dari pada jumlah lilitan primer (NS > NP). 2. Transformator step down yaitu transformator yang mengubah tegangan bolak-balik tinggi menjadi rendah, transformator ini mempunyai jumlah lilitan kumparan primer lebih banyak dari pada jumlah lilitan sekunder (NP > NS). Pada transformator (trafo) besarnya tegangan yang dikeluarkan oleh kumparan sekunder adalah : 1. Sebanding dengan banyaknya lilitan sekunder (Vs Ns). 2. Sebanding dengan besarnya tegangan primer (VS VP). 3. Berbanding terbalik dengan banyaknya lilitan primer, Vs sehingga dapat dituliskan Vs = xvp Vp = Tegangan primer (Volt) Vs = Tegangan sekunder (Volt) Np = Jumlah lilitan primer Ns = Jumlah lilitan sekunder 3.9 Baterai / Accu Baterai digunakan sebagai sumber utama DC, baterai ini mempunyai kemampuan 12 Volt 7.2 AH, tegangan dan arus akan menurun dan habis jika digunakan pada pengegrak awal motor DC dan daya utama untuk proses inverter. Maka digunakan suatu rangkaian pengisian yang dapat bekerja otomatis. Untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan dalam pengisian dan pemakaian diketahui dengan diketahui dengan mengunakan rumus sebagai berikut :

30 Q = I. t (AH) Dimana : Q = Kemampuan arus dari (AH) I = Arus pengisian baterai (A) T = Waktu yang dibutuhkan dalam pengisian baterai (S) Dan untukmengetahui berapa lama tahan baterai atau lama pengoperasian alat yang diambil dari baterai sebagai sumber utama yaitu tergantung kepada besarnya arus yang digunakan atau yang terpakai. Dapat juga ditentukan melalui rumus : Lama tahan baterai It = Dimana : Ik = Kapasitas arus baterai Ib = arus yang terpakai It = Lama tahan baterai Sehingga It =. = 2.4 menit (S) Sesuai hasil perhitungan rumus, maka lama tahan baterai tanpa pengisian ulang dengan beban 3 amper pada trafo 220VAC ialah 2,4 menit. 3.10 Perancangan Perangkat Keras Mekanik Perencanaan perangkat keras sistem mekanik kinetik sebagai media pengatur torsi dan kecepatan pada generator. Perencanaan ini terdiri dari pengaturan peletakan posisi media kinetik gear dan diameter gear agar motor dan generator berputar dengan baik. Pada perancangan alat perangkat keras mekanik adalah media pengerak, terdapat 4 bagian yaitu : Perancangan Gear Motor Perancangan Gear Mekanik Perancangan Gear Generator DC.

31 Perancangan Rangka/Box Alat 3.11 Perancangan Gear Motor Gear lebih besar dirancang pada motor penggerak berfungsi untuk meningkatkan torsi pada putaran generator pada saat diberi beban. Spesifikasi motor pengerak yang akan dipakai seperti gambar dibawah sebagai berikut: Daya motor DC : 12 Volt Diameter gear motor : 3 cm Jumlah gigi gear : 41cm Gambar 3.15 Tampak atas gear motor dan spesifikasi gear. 3.11.1 Motor Penggerak Motor adalah sebuah alat yang yang mengubah energi listrik menjadi tenaga mekanik. Pada prinsip kerja motor listrik adalah mengunakan gaya lorenntz, yaitu gaya yang membuat sebuah kawat yang dialiri listrik bergerak jika didekatkan dengan medan magnet yang homogeny. Pada perancangan alat motor berfungsi sebagai media penggerak kinetik generator DC, melalui prose putaran motor dengan gear meneruskan putaran ke gear generator DC.

32 Gambar 3.16 Diagram Medan Magnet Motor Pada gambar diatas bahwa apabila kawat dialiri listrik dibuat menjadi kumparan dan kumparan tersebut berada didalam medan magnet yang homogeny maka kumparan tadi akan berputar. Pada motor listrik bagian yang berputar disebut rotor dan bagian yang diam disebut stator. Pada bagian rotor ini lah terdapat kumparan yang mengakibatkan rotor berputar. Gambar 3.17 Motor DC penggerak 3.11.2 Perancangan Gear Mekanik Gear tengah berfungsi untuk sebagai pemindah putaran dari motor tenaga penggerak ke generator DC yang akan digerakkan. Gear juga merupakan suatu alat yang diperlukan untuk menyesuaikan daya kecepatan putaran dan torsi (momen/daya) yang besar dari motor penggerak ke generator

33 DC. Generator DC yang akan diputar melalui proses gear konversi kinetik putaran dan tosrsi akan stabil pada saat ada beban. Gambar 3.18 Tampak atas kontruksi gear motor, gear tengah, gear generator Desain kontruksi gear dan ketepatan pemasangan mekanik motor pengerak baik pada posisi pemasangan gear generator DC, Perlu diperhatikan susunan dan diameter gear supaya motor pada saat memutar generator agar mencapai putaran dan torsi yang maksimal. Seperti gambar dibawah ini. Gambar 3.19 kontruksi rasio gear Motor dan Generator

34 Susunan gear mekanik diatas mempegaruhi putaran dan torsi pada generator, pada gear motor DC lebih besar bertujuan untuk meningkatkan torsi pada gear 1, kemudian gear 1 mempercepat putaran dan torsi ke gear generator. Mengetahui torsi dan putaran pada metode mekanik putaran didapat dengan rumus sebagai berikut. Untuk mengetahui putaran gear motor dengan Gear 1 ialah. Spesifikasi gear Motor : Spesifikasi Gear Tengah : - Diameter gear = 3cm - Diameter gear = 1.5cm - Jumlah gigi = 41 - Jumlah gigi = 19 - Jika putaran motor = 30 Rpm Sehingga = x = x =,. Q2 =, X 30 Rpm Q2 = 32 Rpm Untuk mengetahui putaran gear tengah dengan gear generator ialah. Spesifikasi gear Tengah : Spesifikasi gear generator : - Diameter gear = 1.5cm - Diameter gear = 2cm - Jumlah gigi = 19 - Jumlah gigi = 27 - Putaran pada Q2 = 32 Rpm = x = x.

35 =. Q3= Q3 = 30 Rpm. X 32Rpm Dimana : Q2 = Putaran input Q3 = Putaran output N = Jumlah Gigi Dia = Diameter Gear Sehingga putaran pada gear tengah atau Q2 yang sesuai hasil perhitungan rumus ialah 32 Rpm. Pada gear generator DC atau Q3 adalah 30 Rpm, pada gear tengah lebih cepat dari gear motor penggerak. Proses putaran kinetik gear tengah dengan gear generator DC melambat, akan tetapi pada metode mekanik antara gear tengah dengan gear generator DC untuk meningkatkan torsi yang bertujuan pada saat generator dibebani lebih ringan putaran pada motor. 3.12 Perancangan Gear Generator DC Generator DC menghasilkan daya arus yang diproses charger baterai untuk mengisi baterai. Generator akan menghasilkan daya arus listrik 12 Volt apabila mendapatkan putaran yang konstan pada media kinetik putar. Gear pada generator disain lebih kecil bertujuan untuk memperingan torsi pada saat ada beban. Spesifikasi motor pengerak yang akan dipakai seperti gambar dibawah sebagai berikut: Output Generator DC : 12 24 VDC / 30 Watt Diameter gear motor : 2 cm Jumlah gigi gear : 21 set

36 Gambar 3.20 Generator DC tampak atas. Gambar 3.21 Tampak depan Generator DC dan gear 3.13 Perancangan Rangka/Box alat Perancangan rangka alat bertujuan untuk menumpu perangkat-perangkat yang akan dipasang dan disusun menjadi suatu Alat. Untuk merancang rangka alat maka perlu diperhatikan mulai dari pemilihan bahan, desain kontruksi peletakan motor dan generator DC, baterai/accu, Trafo dan rangkaian controlnya. Pada tugas akhir ini, lantai tumpuan dibuat dari papan kayu dan siku almunium sebagai pengangan acrelic dengan alasan bahan ini cukup kuat untuk

37 menopang kontruksi. Adapun bahan yang dibutuhkan untuk perancangan rangka alat adalah : Papan tumpu Acrelic Mur scrup Almunium siku. Dengan spesifikasi rangka alat yang dibuat berbentuk box persegi dengan dimensi ukuran sebagai berikut : Panjang : 29 Cm Lebar : 22 Cm Tinggi : 20 Cm Gambar 3.22 Tampak depan box alat

38 Gambar 3.23 Tampak sebelah kiri box alat Gambar 3.24 Tampak sebelah kanan box alat

39 Gambar 3.25 Tampak belakang box alat