BAB II LANDASAN TEORI Pada bab ini akan dibahas mengenai teori teori yang mendasari perancangan dan perealisasian inductive wireless charger untuk telepon seluler. Teori-teori yang digunakan dalam skripsi ini antara lain : transmisi daya wireless, inverter, rangkaian penyearah, dan rangkaian charger baterai Li-ion dengan IC MAX1811. 2.1. Transmisi Daya Wireless Transmisi daya secara wireless pertama kali diperkenalkan oleh Nikola Tesla pada awal abad ke-20 dengan menggunakan induksi elektromagnetik. Menurut Tesla, udara merupakan konduktor alami, sehingga daya listrik dapat ditransmisikan melaluinya. Dalam penelitiannya, Tesla berhasil menyalakan 200 lampu secara wireless dari jarak 25 mil (±45 km) dan masih dapat mendeteksi transmisi dayanya pada jarak yang lebih jauh dari 25 mil. 2.1.1. Gaya Gerak Listrik Induksi (GGL Induksi) Gaya gerak listrik induksi timbul karena adanya perubahan fluks magnetik (garis gaya magnet) yang kuat medan magnetiknya berubah-ubah terhadap waktu di dalam sebuah kumparan. Konsep GGL induksi ini dikemukakan oleh Michael Faraday. Faraday menemukan bahwa induksi sangat bergantung pada waktu, yaitu semakin cepat terjadinya perubahan medan magnetik, GGL yang diinduksi semakin besar. GGL induksi berbanding lurus dengan laju perubahan fluks magnetik yang bergerak melintasi sebuah untai tertutup dengan luasan tertentu, namun tidak sebanding dengan laju medan magnetiknya. Gagasan Faraday ini dikenal dengan Hukum Induksi Faraday. Secara matematis, ditulis : ε = (2.1) 5
GGL induksi karena fluks magnetik yang berubah-ubah terhadap waktu dalam suatu untai tertutup dengan jumlah lilitan tertentu dirumuskan sebagai berikut: ε = N (2.2) Dimana : ε = GGL induksi (Volt) dφ = Perubahan fluks magnetik (Weber) dt = Perubahan waktu (detik) Tanda negatif pada persamaan (2.1) dan (2.2) menunjukkan GGL induksi berlawanan arah dengan perubahan fluks. Jika arus yang melalui kumparan meningkat, kenaikan fluks magnet akan mengakibatkan GGL induksi dengan arah arus yang berlawanan dan cenderung untuk memperlambat kenaikan arus tersebut. Dan sebaliknya, jika arus yang melalui kumparan menurun, kenaikan fluks magnet akan cenderung meningkatkan kenaikan arus. 2.1.2. Induktansi Salah satu komponen penting dalam terjadinya GGL induksi adalah induktor. Induktor adalah suatu kumparan yang dibuat agar mempunyai harga induktansi tertentu.[4] Istilah induktansi pertama kali digunakan oleh Oliver Heavside tahun 1886. Induktansi yang menyebabkan timbulnya GGL induksi karena perubahan fluks medan magnet terhadap perubahan arus yang mengalir pada sebuah rangkaian elektronika disebut sebagai induktansi sendiri (self inductance). Mengacu pada Hukum Induksi Faraday, GGL induksi yang timbul karena perubahan fluks magnetik terhadap waktu dφ dt ini ditentukan oleh perubahan arus terhadap waktu, sehingga akan didapatkan persamaan: N = L (2.3) N dφ = L di (2.4) 6
N dφ = L di (2.5) L = (2.6) Dimana : N = Jumlah lilitan pada suatu kumparan (lilitan) L = Induktansi diri (Henry) I = Arus listrik (Ampere) = Perubahan fluks magnetik terhadap perubahan waktu (Wb/detik) = Perubahan arus listrik terhadap perubahan waktu (Ampere/detik) Sedangkan arus yang berbanding lurus dengan fluks magnetik suatu kumparan kemudian menginduksi kumparan lain yang ada di dekatnya sehingga timbul GGL induksi pada ujung-ujung terminal kumparan yang terinduksi akan menimbulkan induktansi bersama (mutual inductance), ditulis : M = N ( ) (2.7) Induktansi bersama M 12 akan bernilai sama dengan M 21. Oleh karena itu M 21 = M 12 = M. Gambar 2.1. Perubahan arus pada kumparan 1 yang menginduksi kumparan lain menimbulkan induktansi bersama. 7
Untuk mendapatkan rasio perbandingan nilai tegangan, arus, dan jumlah lilitan antara kumparan 1 dan kumparan 2, digunakan prinsip induktansi bersama transformator ideal : = = (2.8) Dimana : V = Tegangan pada kumparan 1 (Volt) V = Tegangan pada kumparan 2 (Volt) N = Jumlah lilitan pada kumparan 1 (lilitan) N = Jumlah lilitan pada kumparan 2 (lilitan) I = Arus listrik pada kumparan 1 (Ampere) I = Arus listrik pada kumparan 2 (Ampere) 2.1.3. Koefisien Kopling Koefisien kopling adalah derajat sampai seberapa jauh nilai M (induktansi bersama) mendekati nilai maksimumnya. Nilainya antara 0 1. Koefisien kopling yang nilainya mendekati satu menunjukkan bahwa antara kumparan satu dan kumparan yang lain terkopel erat. Agar diperoleh nilai koefisien kopling yang mendekati satu, kumparan harus dililit sedemikian rupa agar menghasilkan fluks magnetik yang besar. ini : Cara mencari nilai koefisien kopling menggunakan persamaan di bawah k = (2.9) k = koefisien kopling (0 k 1) M = induktansi bersama (Henry) L 1 = induktansi diri kumparan 1 (Henry) L 2 = induktansi diri kumparan 2 (Henry) 8
2.2. Inverter Inverter adalah sebuah rangkaian yang mengubah masukan yang berupa sinyal DC menjadi sinyal AC. Secara umum, rangkaian inverter terdiri atas dua bagian yaitu osilator atau signal generator dan penguat daya. DC Input Signal Generator Penguat Daya AC Output Gambar 2.2. Blok diagram sebuah inverter. 2.2.1. Integrated Circuit (IC) XR2206 IC XR2206 adalah salah satu IC yang memiliki kemampuan untuk menghasilkan gelombang sinus, gelombang kotak, dan gelombang segitiga yang memiliki kestabilan dan akurasi yang sangat baik, walaupun dioperasikan pada frekuensi yang sangat rendah (0,01 Hz) hingga frekuensi tinggi (1 MHz). IC XR2206 sangat ideal digunakan untuk instrumentasi, komunikasi, diaplikasikan pada function generator [5]. Gambar 2.3. Konfigurasi pin IC XR2206. [5] 9
Tabel 2.1. Tabel deskripsi masing-masing pin IC XR2206. [5] Gambar 2.4. Untai dasar IC XR2206 sebagai signal generator. [6] Adapun penjelasan masing-masing terminal untai dasar IC XR2206 sebagai signal generator dari Gambar 2.5. di atas adalah sebagai berikut : A. Catu daya negatif (V EE ). B. Ground. 10
C. Catu daya positif (V CC ). D. Terminal kapasitor timing range 1 (1 Hz 100 Hz). E. Terminal kapasitor timing range 2 (10 Hz 1kHz). F. Terminal kapasitor timing range 3 (100 Hz 10 khz). G. Terminal kapasitor timing range 4 (1 khz 100kHz). H. Terminal common kapasitor timing. I. Masukan sweep. J. Terminal potensiometer frequency adjust. K. Terminal catu daya negatif potensiometer frequency adjust. L. Keluaran sync (1/2 swing ). M. Keluaran sync (full swing ). N. Terminal switch untuk gelombang segitiga/sinus. O. Terminal switch untuk gelombang segitiga/sinus. P. Terminal keluaran gelombang segitiga/sinus. Q. Terminal masukan modulasi amplitudo. R. Terminal kontrol amplitudo. Tegangan keluaran maksimal yang dihasilkan oleh IC XR2206 adalah sebesar V CC /2 V PP. Frekuensi keluarannya diatur melalui resistor timing yang terdapat pada Gambar 2.5. (R4 dan R13) dan kapasitor timing (terpasang pada pin 5 dan pin 6) dan dapat dihitung dengan menggunakan rumus : f = (2.10) f = Frekuensi (Hz) R = Resistansi kapasitor timing (Ω) C = Kapasitansi kapasitor timing (farad) 11
2.2.2. Penguat Daya Kelas B Penguat kelas B disebut juga penguat dorong-tarik (push-pull), merupakan penguat dengan dua transistor, dan memiliki disipasi daya (P D ) rendah serta baik digunakan untuk penguat rangkaian yang bekerja pada frekuensi tinggi. Agar dapat menghasilkan sinusoida lengkap, maka tegangan dicatu bergantian oleh Vcc dan V EE. Transistor NPN memelihara setengah siklus positif dari tegangan sumbernya, dan transistor PNP memelihara setengah siklus negatif dari tegangan sumbernya. Gambar 2.5. Untai penguat kelas B dengan beban R L. Dengan mengabaikan V CE (saturasi), maka arus puncak maksimum yang dapat diberikan ke beban: Ic = Ic = Tegangan puncak maksimum ke beban : 12 = V = V CC = V EE (2.12) (2.11) Dimana : Ic = Arus yang mengalir pada kolektor saat keadaan jenuh (Ampere) Ic = Arus puncak maksimum (Ampere) V CC = Tegangan catu daya positif (Volt) V EE = Tegangan catu daya negatif (Volt) R L = Resistansi beban (Ω) Vm = Tegangan puncak maksimum ke beban (Volt)
2.3. Penyearah (Rectifier) Penyearah (rectifier) merupakan kebalikan dari rangkaian inverter yang mengubah sinyal DC menjadi sinyal AC. Rangkaian penyearah merupakan rangkaian yang tersusun dari dioda. Gambar 2.6. Untai penyearah gelombang penuh dan kapasitor. Penambahan kapasitor pada rangkaian penyearah dimaksudkan untuk mengeliminasi atau menghilangkan ripple pada gelombang AC yang telah disearahkan, seperti ditunjukkan oleh simulasi dengan Circuit Maker di bawah ini: (a) 13
(b) Gambar 2.7. (a) Simulasi keluaran untai penyearah tanpa kapasitor. (b) Simulasi keluaran untai penyearah dengan kapasitor. persamaan : Penyearah gelombang tersebut menghasilkan tegangan DC dengan Dengan : V =, (2.13) V = V V (2.14) Jika memperhitungkan tegangan buka dioda (V D = 0,7 Volt untuk dioda silikon dan V D = 0,2 Volt untuk dioda germanium), maka : V = 0,637(V 2V ) (2.15) Dimana : V = Tegangan rata-rata (Volt) V P V = Tegangan puncak (Volt) = Tegangan buka dioda (Volt) V = Tegangan efektif (Volt) 14
2.4. IC (Integrated Circuit) MAX1811 IC MAX1811 merupakan salah satu IC charger baterai Lithium-ion (Liion) dengan sumber daya yang terhubung langsung ke port USB atau catu daya eksternal dengan rentang tegangan masukan antara 4,35 6,5 Volt. Gambar 2.8. Konfigurasi pin IC MAX1811.[7] Penjelasan konfigurasi pin IC MAX1811 adalah sebagai berikut : 1. SELV adalah pin masukan logika tegangan baterai Li-ion. Logika akan low jika tegangan masukan <0,8 Volt. Saat logika low, proses charging akan berhenti ketika tegangan baterai mencapai 4,1 Volt. Dan logika akan high jika tegangan regulasi masukan >2,0 Volt. Proses charging akan berhenti ketika tegangan baterai mencapai 4,2 Volt. 2. SELI adalah pin masukan logika arus regulasi baterai Li-ion. Ketika masukan <0,8 Volt, logika akan low, arus regulasi maksimum baterai diset 100 ma, sedangkan ketika masukan >2,0 Volt, logika akan high, arus regulasi maksimum baterai diset 500 ma. 3 dan 6. GND adalah pin ground. 4. IN adalah pin tegangan masukan. 5. BATT adalah pin yang dihubungkan dengan baterai Li-ion. 7. EN adalah pin masukan enable untuk mengaktifkan atau memutus rangkaian charger dengan baterai Li-ion. Rangkaian akan diputus saat BATT dalam keadaan high impedance (baterai penuh). 15
8. CHG adalah pin indikator status pengisisan. CHG bernilai low ketika terjadi proses charging (2,5 Volt > V BATT < Tegangan regulasi baterai). 16