5

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 :

휀 = − ………(2.1)

6

GGL induksi karena fluks magnetik yang berubah-ubah terhadap waktu

dalam suatu untai tertutup dengan jumlah lilitan tertentu dirumuskan sebagai

berikut:

휀 = −푁 ………(2.2)

Dimana : ε = GGL induksi (Volt)

푑훷 = 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 푑Φ푑푡 ini ditentukan oleh perubahan

arus terhadap waktu, sehingga akan didapatkan persamaan:

−푁 = −퐿 ………(2.3)

푁 dΦ = 퐿 푑퐼………(2.4)

7

푁 ∫ dΦ = 퐿 ∫ dI………(2.5)

퐿 = ………(2.6)

Dimana : 푁 = 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 :

푀 = 푁 ( ) ……(2.7)

Induktansi bersama M12 akan bernilai sama dengan M21. Oleh karena itu M21 =

M12 = M.

Gambar 2.1. Perubahan arus pada kumparan 1 yang menginduksi

kumparan lain menimbulkan induktansi bersama.

8

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 : 푉 = Tegangan pada kumparan 1 (Volt)

푉 = Tegangan pada kumparan 2 (Volt)

푁 = Jumlah lilitan pada kumparan 1 (lilitan)

푁 = Jumlah lilitan pada kumparan 2 (lilitan)

퐼 = Arus listrik pada kumparan 1 (Ampere)

퐼 = 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.

Cara mencari nilai koefisien kopling menggunakan persamaan di bawah

ini :

푘 = ………(2.9)

k = koefisien kopling (0 ≤ k ≤ 1)

M = induktansi bersama (Henry)

L1 = induktansi diri kumparan 1 (Henry)

L2 = induktansi diri kumparan 2 (Henry)

9

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.

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]

Signal Generator

Penguat Daya

DC Input

AC Output

10

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 (VEE).

B. Ground.

11

C. Catu daya positif (VCC).

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 VCC/2 VPP. 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 :

푓 = ………(2.10)

f = Frekuensi (Hz)

R = Resistansi kapasitor timing (Ω)

C = Kapasitansi kapasitor timing (farad)

12

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 (PD) rendah serta baik

digunakan untuk penguat rangkaian yang bekerja pada frekuensi tinggi.

Agar dapat menghasilkan sinusoida lengkap, maka tegangan dicatu

bergantian oleh Vcc dan VEE. 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 RL.

Dengan mengabaikan VCE (saturasi), maka arus puncak maksimum yang

dapat diberikan ke beban:

퐼푐 = 퐼푐 = = − ………(2.11)

Tegangan puncak maksimum ke beban :

푉 = 푉퐶퐶 = −푉퐸퐸 ………(2.12)

Dimana : 퐼푐 = Arus yang mengalir pada kolektor saat keadaan jenuh (Ampere)

퐼푐 = Arus puncak maksimum (Ampere)

VCC = Tegangan catu daya positif (Volt)

VEE = Tegangan catu daya negatif (Volt)

RL = Resistansi beban (Ω)

Vm = Tegangan puncak maksimum ke beban (Volt)

13

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)

14

(b)

Gambar 2.7. (a) Simulasi keluaran untai penyearah tanpa kapasitor.

(b) Simulasi keluaran untai penyearah dengan kapasitor.

Penyearah gelombang tersebut menghasilkan tegangan DC dengan

persamaan :

푉 =,

………(2.13)

Dengan :

푉 = 푉 − 푉 ………(2.14)

Jika memperhitungkan tegangan buka dioda (VD = 0,7 Volt untuk dioda silikon

dan VD = 0,2 Volt untuk dioda germanium), maka :

푉 = 0,637(푉 − 2푉 ) ………(2.15)

Dimana : 푉 = Tegangan rata-rata (Volt)

VP = Tegangan puncak (Volt)

푉 = Tegangan buka dioda (Volt)

푉 = Tegangan efektif (Volt)

15

2.4. IC (Integrated Circuit) MAX1811

IC MAX1811 merupakan salah satu IC charger baterai Lithium-ion (Li-

ion) 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).

16

8. CHG adalah pin indikator status pengisisan. CHG bernilai ‘low’

ketika terjadi proses charging (2,5 Volt > VBATT < Tegangan regulasi

baterai).