6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Dc

Sebuah perangkat yang dapat mengubah suatu energi listrik menjadi suatu

energi mekanik disebut motor listrik. Motor DC merupakan motor arus searah yang

banyak digunakan untuk kebutuhan yang menggunakan pegaturan kecepatan

dibandingkan motor AC. Mudahnya pengaturan kecepatan kerja motor DC dalam

rentang yang sangat luas menjadi alasan utama dunia industri modern

menggunakan mesin arus searah tersebut, disamping banyaknya metode

pengaturan kecepatan yang dapat digunakan.

Untuk mengubah energi mekanik diperlukan tegangan searah pada kumparan

medan untuk mensuplai motor DC. Kumparan medan pada motor DC yang tidak

dapat bergerak/berputar disebut stator, dan kumparan motor dc yang dapat bergerak

disebut rotor (kumparan jangkar). Berputarnya kumparan jangkar di medan magnet

dapat menyebabkan tegangan (GGL) berubah arah setiapzsetengahaputaran. Arus

searah mempunyai prinsip kerja yaitu membalikana fasa tegangan dari gelombang

yangg memiliki nilai yang positif dengan menggunakan komutator, maka dengan

memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut, motor dapat berputar

pada satu arah, dan apabila polaritas tegangan dibalikan maka dapat membalikkan

arah putar motor. Arah putaran motor ditentukan oleh polariitas dari tegangan yang

di berikan pada kedua terminal sedangkan kecepatan motor ditentukan dari besar

beda tegangan kedua terminal.

7

Bentuk motor paling sederhana mempunyai kumparan satu lilitan yang dapat

berputar secara bebas diantara kutub - kutub magnet permanen. Motor DC adalah

sebuah tipe motor yang sumber tenaganya berasal dari tegangan searah .

Gambar 2.1 Rangkaian Sederhana Motor DC

(Sumber: teorick.blogspot.com)

Catu tegangan DC berasal dari sebuah baterai yang menuju kelilitan melalui

sikat yang menyentuh komutator, dua segmenayang terhubungadengan duaaujung

lilitan. Kumparan satu lilitan yang terlihat pada Gambar 2.1 diatas disebut angker

dinamo atau Rotor. Angkeradinamo merupakan sebuah komponenayangaberputar

diantara medan magnet untuk menangkap induksi listrik dari medan magnet

disekelilingnya.

2.1.1 Simbol Motor DC

Gambar 2.2 SimbolqMotorr DC

(Sumber : electronicsrical.com)

8

MotoraDC tersusun dariaduaabagian yaituabagian yang tidak dapat bergerak

biasa disebut stator. Bagianayangabergerak disebutarotor. Seperti pada Gambar 2.2

diatas, stator motor arus searah merupakan badan motor/kutub M (sikat-sikat),

sedangkan jangkar lilitannya merupakan rotor. Pada motor, kumparan merupakan

sebuah kawat penghantaralistrik yangabergerak pada dasarnya adalah sebuah lilitan

yangaberbentukapersegiapanjang.

2.1.2 Prinsip Kerja Motor DC

Setiap arus yang melewati konduktor dapat menimbulkan medan magnet

disekitar konduktor. Kuatnya medan magnet yang ditimbulkan bergantung pada

besarnya arus yang mengalir di dalam konduktor dan arah aliran arus pada

konduktor menjadi penentu arahamedanamagnet (Utomo Joko, 2016).

Gambar 2.3 Konduktor Pengalir Arus

dalam medan magnet

(Sumber : Utomo Joko, 2016)

Pada Gambar 2.3 (a) menunjukkan bahwa kutub magnet utara dan selatan

yang arahnya darikutub utara menuju kekutub selatan menghasilkan medan magnet

yang seragam. Sedangkan Gambar 2.3 (b) menggambar kanasebuah konduktor

9

yang di aliri arus searah dan mengghasilkan medanamagnet (garis-garis gaya fluksi)

di sekelilingnya. Dan Gambar 2.3 (c) menunjukkan apabila medan magnet

ditempati konduktor yang dialiri arus tersebut, maka interaksi dsri kedua medan

tersebut dapat menimbulkan medan yang non seragam. Sehingga kerapatan fluksi

dapat bertambah besaradiatas sebelahakanan konduktor (dekat kutubaselatan) dan

dibawahdsebelahskiri konduktor (dekat kutub utara) sedangkan kerapatan fluksi

menjadifberkurang diatas sebelahskiri konduktor dan dibawah sebelahakanan

konduktor. Kerapatanafluksi yang tidak seragam dapat menyebabkanakonduktor

disebelahakiriamengalami gaya keaatas, sedangkanakonduktor disebelahakanan

akan mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasiilkan torsi

yanng memutar jangkar dengan arah putar sesuai arah putar jarum jam .

Gambar 2.4 Prinsip kerja motor DC

(Sumber : elektronika-dasar.web.id)

Kumparan ABCD terletak dalam medan magnet seragam dengan kedudukan

sisi aktif AD dan CB yang terletak lurus searah fluksi magnet. Sedangkann sisi AB

dan DC di tahan pada bagian tengahnya, sehingga apabila sisi AD dan CB berputar

karena adanya gaya Lorentz, maka kumparan ABCD dapat berputar.

10

Hasil perkalian gaya dengan jarak pada suatu titik tertentu disebut momen,

sisi aktif AD dan CB akan berputar pada porosnya karena pengaruh momen putar

(T). Setiap sisi kumparan aktif AD dan CB pada Gambar 2.4 akan mengalami

momen putar sebesar :

T = F x r (1)

Dimana :

T = Momen putar (Nm)

F = Gaya tolak (N)

r = Jarak sisi kumparan pada sumbu putar (m)

Pada daerah di bawah kutub magnet besarnya momen putar tetap karena

besarnya gaya Lorentz. Hal ini ditunjukkan dengan kedudukan garis netral sisi

kumparan dapat berhenti berputar. Jumlah kumparan yang digunakan akan

mempengaruhi putaran motor, semakin banyak kumparan yang digunakan maka

motor akan berputar terus secara baik. Kumparan harus di letakkan sedemikian rupa

sehingga momen putar yang dialami setiap sisi kumparan akan saling membantu

dan menghasilkan putaran yang baik. Dengan pertimbangan teknis, maka kumparan

yang berputar tersebut dililitkan pada jangkar, sehingga lilitan kumparan tersebut

disebut dengan lilitan jangkar.

11

2.1.3 Bagian atau Komponen Utama Motor DC

Motor DC memiliki tiga komponen utama untuk dapat berputar sebagai

berikut.

a. Kutub Medan

Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dynamo yang

menggerakkan bearing pada ruang diantara kutub medan. Kutub medan di

gambarkan secara sederhana bahwa suatu interaksi antara dua kutub magnet

dapat menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC sederhana

memiliki dua kutub yaitu kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetic

energi membesar melintasi bukaan diantara kutub dari utara ke selatan. Untuk

motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih

elektromagnet. Elektromagnetamenerima listrik dariasumber daya dari luar

sebagaiapenyediaa struktur medan.

b. Kumparan Motor DC

Electromagnet terjadi karena aru yang masuk langsung menuju

kumparan. Kumparan motor DC yang berbemtuk silinder, dihubungkan ke

poros penggerakk agar menggerakkan beban. Pada motor DC yang kecil,

kumparan motor berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-

kutub , sampai kutub utara dan selatan magnet akan bergantialokasi. Apabila

hal tersebut dapat terjadi, maka kutub utara dan selatan kumparan motor

berubah akibat arus yang berbalik.

12

c. Komutator Motor DC

Komutator berfungsi sebagai penyearah arus tegangan dari AC

menjadi DC, dimana secara mekanis untuk menjaga arah putaran pada arah

yang sama maka komutator membalikkan arah arus listrik setiap setengah

putaran.

2.1.4 Karakteristik Motor DC

Karakteristik yang dimiliki motor dc dapat di gambarkan melalui kurva daya

dan kurvaatorsi per kecepatannya. Kurva tersebut di analisa batasan kerja dari

motor sertaadaerah kerja optimumm dari motor tersebut.

Gambar 2.5 KurvaaTorsi danaKecepatan

(Sumber : zonaelektro.net)

Dari Gambar 2.5 diatas terlihat hubunganaantara torsi dan kecepatanssuatu

motor DCstertentu. Dari grafiksterlihat bahwaatorsi berbandingAterbaliik dengan

kecepatan putaran. Dengan kata lainaterdapat tradeoff antaraabesar torsi yang

dihasilkanamotor dengan kecepatanaputaran motor.

13

Duazkarakteristik yang dilihat dari grafik sebagai berikut :

1. Stall torque, menunjukkan bahwa titik pada grafik pada saat torsi mencapai

maksimum, putaran motor sama dengan nol

2. No load speed, menunjukkan bahwa kecepatan maksimum didapatkan pada

saat motor dalam keadaan tanpa beban atau torsi sama dengan nol.Analisa

terhadapigrafik di lakukanidengan menghubugkan kedua titikftersebut

denganfsebuah garis, di mana persamaan garis tersebut dapat di tulis didalam

fungsirtorsiratau kecepatan rsudut.

𝝉𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 =𝟏

𝟐𝝉𝒔 (2)

𝝎𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 =𝟏

𝟐𝝎𝒏 (3)

𝝉𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 = 𝝉𝒔 − 𝝎𝝉𝒔

𝝎𝒏 (4)

𝝎𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 = (𝝉𝒔 − 𝝉) 𝝎𝒏

𝝉𝒔 (5)

Dengan memasukkan persamaanatorsi tersebut dan kecepatan kedalam

persamaan daya maka di peroleh persamaan sebagai berikut

𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 = −𝝉𝒔

𝝎𝒏 𝝎𝟐 + 𝝉𝒔𝝎 (6)

𝑷𝒎𝒐𝒕𝒐𝒓 = −𝝎𝒏

𝝉𝒔 𝝉𝟐 + 𝝎𝒏𝝉 (7)

Darispersamaansdaya dapat dilihatsbahwa daya berasal dari perkalian antara

torsi danskecepatan sudut. Dimana didalam grafik tersebut ditunjukkan olh luas

daerahfpersegi dibawah kurva torsi dan kecepatan seperti yang tercantum pada

Gambar 2.6 berikut ini.

14

Gambar 2.6 Grafik Torsi dan Kecepatan

(Sumber : zonaeletro.net)

2.2 Mikrokontroller

Mikrokontroleramerupakan suatu komputeramikro yang berada didalamasatu

chipatunggal. Mikrokontroler tersebut memadukan antara CPU, ROM, RWM, I/O

parallel, I/O seri, Counter-timer, serta rangkaian clock yang berada pada satu chip

seperti yang digambarkan pada Gambar 2.7. Mikrokontroler merupakan alat

elektronikaadigital yangamempunyai masukan danakeluaran serta kendali dengan

program yang dapat ditulis dan dihapus dengan cara yang khusus. Membaca data

dan menulis data merupakan cara kerja dari mikrokontroler (Immerse, 2014).

Gambar 2.7 Blog Diagram Mikrokontroler

(Sumber : Immerse,2014)

Sistem yang menggunakan mikrokontroler sering disebut sebagai Embedded

System atau Dedicated System. Embeded System adalah suatu ssistem pengendali

yang terrtanam pada suatu produk, sedangan Dedicated System adalah sistem

15

pengendalii yang dimaksudkan adalah hanya untuk suatuu fungsi terteentu saja.

Sebagai contoh printer adalah sautau embedded system karena terdapat suatu

mikrokontroler yang berfungsi sebagai pengendali sistem serta sebagai dedicated

system dikarenakan fungsi dari pengendali tersebut berfungsi untuk menerima

suatu data dan melakukan percetakan.

Secara umum mikrokontroler dibagi menjadi 3 keluarga besar yang terdapat

dipasaran. Masing -masing keluarga mempunyai ciri khas dan karakteristik

masing-masing.

Berikut adalah pembagian beberapa keluarga dari mikrokontroler :

1. Keluarga MCS51

Mikrokontoler ini merupakan bagian dari keluarga mikrokontroler

CISC. Sebagianabesarainstruksinya dieksekusiadalam 12 siklusaclock.

Mikrokontroler tersebut dibuat berdasarkan arsitektur Harvard dan pada

awalnya di rancang untuk sebuah aplikasi mikrokontroler chip tunggal. Salah

satu kemampuanadari mikrokontrolera8051 yaitu pemasukanasebuah mesin

pemrosess Boolean yang mengiijinkan operasi logic Boolean tingkatan bit

dapat langsung digunakan dan melakukan register internal serta RAM

menjadi lebih efisien. Berdasarkan hal tersebut mikrokontroler MCS51 dapat

digunakan dalam perancangan PLC (Programmable Logic Control).

2. AVR

Merupakan mikrokontroler Vegard’s Risc processor atau sering disebut

AVR adalah suatu mirkokontroler yang berbasis pada arsitektur RISC

(Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. Dikarenakan RISC tersebut

16

sebagian besar dari kode instruksinya digabungkan dalam satu siklus clock

dan mempunyai struktur I/O yang komplek sehingga penggunaan komponen

eksternal bisa di kurangi. AVR merupakan jenis mikrokontroler dari sekian

banyak mikrokontroler yang sering dipakai dalam bidang elektronika dan

instrumentasi. Secara umum, AVR dibagi menjadi 4 kelas. Pada dasarnya

masing-masing kelas dibedakan oleh memori, peripheral dan fungsi. Masing

- masing kelas tersebut yaitu keluarga dari ATTiny, keluarga dari AT90xx,

keluarga dari ATMega dan AT86RFxx.

3. PIC

PIC merupakan suatu keluarga mikrokontroler yang memiliki tipe

RISC buatan dari Microchip Technology. Berasal dari PIC 1650 yang dibuat

oleh Divisi Microelektronica General Instruments. Teknologi Microchip

tidak dapat menggunakan PIC sebagai akronim, tetapi nama dari brand

tersebut ialah PICmicro. Hal tersebut dikarenakan PIC berasal dari singkatan

dari Peripheral Interface Controller, tetapi General Instruments memiliki

akronim PIC1650 sebagai Programmabel Intelligent Computer. PIC pada

awalnya diciptakan dengan menggunakan teknologi General Instruments

16bit CPU (Central Processing Unit) yaitu CP1600. Pertama kali Bit PIC

diciptakan yaitu pada tahun 1975 agar dapat meningkatkan performa suatu

sistem peningkatan pada I/O. Pada era modern sekaran PIC sudah dilengkapi

dengan EPROM dan Serial Communication, UAT, Motor Control Cernel dan

sebagainya, serta memori program dari 512 word hingga 32 word. Mermori

17

program 1 word diartikan 1 instruksi dari Bahasa assembly yang memiliki

variasi, mulai dari 12bit hingga 16bit menyesuaikan tipe dari PICmicro.

2.3 Arduino

Arduino adalah suatu alat elektronika yang biasa dinamakan papan rangkaian

elektronik berbasis open source yang di dalamnya terdapat satu komponen utama

yakni suatu chip mikrokontroler dengan jenis AVR yang bersasal dari perusahaan

Atmel . Miktrokontroler merupakan suatu chip atau IC (Integrated Circuit) yang

dapat diprogram menggunakan komputer. Tujuannya dari menyisispkan program

pada mikrokontroler tersebut yaitu membuat rangkaian elektronik dapat melakukan

pembacaan data input, process dan output dalam suatu rangkaian elektronika

(Ihsanto Eko,2014).

2.3.1 Hardware

Hardware atau disering disebut perangkat keras dalam Arduino terdapat

beberapa jenis, yang memiliki bebearapa kelebihan dan kekurangan dalam masing-

masing papan. Pemakaian Arduino dapat di sesuaikan dengan kebutuhan, hal

tersebut dapat mempengaruhi dari suatu processor yang digunakan. Apabila

semakin lengkap ataukompleks dari perancangan dan program yang dapat

membedakan antar Arduino satu dengan arduino yang lainnya yakni melakukan

penambahan fungsi dalam masing-masing boardnya dan tipe mikrokontroler yang

di gunakannya. Arduino Uno R3 adalah salah satu jenis Arduino yang digunakan

18

dalam melakukan penelitian Skripsi Sistem Kendali Motor DC Berbasis

Mikrokontroler dengan Menggunakan Metode PID.

2.3.2 Arduino Uno

Arduino Uno merupakan satu dari banyaknya produk Arduino yang terdiri

dari suatu papan elektronik yang berbasis pada mikrokontroler ATMega328 (suatu

keeping yang berjalan secara fungsional bertindak sebagai sebuah komputer).

Piranti ini dapat di manfaatkan guna mewujudkan sebuah rangkaian elektronik dari

yang paling sederhan hingga yang paling lengkap/kompleks. Arduino Uno

mempunyai 14 digitalpin input/output (yang sering disebut I/O, dimana 14 pin di

antaranya dapat digunakan sebagai output PWM/Pulse With Modulation yakni pin

0 sampai 13), 6 pin input analog, menggunakan crystal berfrekuensi 16 MHz yakni

pin A0 sampai A5, USB Connection, Jack listrik, header ICSP dan reset. Komponen

diatas merupakan semua yang diperlukan guna mendukung suatu rangkaian dari

mikrokontrolerr.

Gambar 2.8 Arduino Uno R3

(Sumber : www.arduino.cc)

19

2.3.3 Spesifikasi Arduino Uno

Spesifikasi Arduino uno R3 dapat dilihat pada tabel 2.1 dan Arduino uno R3

dapat dilihat pada Gambar 2.8

Tabel 2. 1 Spesifikasi Arduino Uno R3

Mikrokontroler ATmega328

Tegangan Operasi 5 Volt

Tegangan Input 7-12 Volt

Batas tegangan input 6-20 Volt

Jumlah pin I/O digital 14 (6 diantaranya menyediakan keluaran

PWM)

Jumlah pin Input analog 6

Arus DC tiap pin I/O 40 mA

Arus DC untuk pin 3,3 V 50 mA

Memori Flash 32 KB (ATmega 328, sekitar 0,5 KB

digunakan oleh botloader

SRAM 2 KB(ATmega 328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Clock Speed 16 MHz

Hardware Arduino uno memiliki spesifikasi yaitu :

1. 14 pin input atau output digital ( yaitu pin 0 sampai pin 13). Berfungsi

sebagai input atau output, dapat difungsikan oleh sebuah program. Terdapat

6 buah pin khusus yakni pin 3,5,6,9,10 dan 11 dimana digunakan sebagai

output PWM dan dapat digunakan sebagai pin analog output dimana

tegangan outputnya dapat diatus menggunakan potentiometer. Nilai

darisebuah pin outputanalog dapat deprogram antara nilai pwm 0-225,

dimana nilai tersebut mewakili nilai tegangan antara 0-5 Volt.

2. USB (Universal Serial Bus) memiliki fungsi sebagai berikut :

20

a. Membuat program dari komputer yang dimasukkan kedalam

Arduino

b. Sebagai Serial Communication antara Arduino dengan komputer

c. Berfungsi sebagai penyuplai sumber listrik pada arduino

d. Sambungan SV1 yaitu sambungan yang digunakan untuk memilih

sumber daya arduino, apakah berasal dari sumber dari luar atau

menggunakan USB Q1-Kristal (Quartz Crystal Ascillator).

3. Reset Button S1 adalah tombol yang digunakan untuk melakukan peresetan

program pada Arduino sehingga dapat dilakukan pemrograman dari awal.

Selain itu tombol reset ini tidak dapat digunakan untuk melakukan

penghapusan atau pengosongan program pada mikrokontroler.

4. In-Circuit Serial Programming (ICSP).

Port ICSP digunakan agar dapat melakukan pemrograman mikrokontroler

secara langsung, tanpa lewat botloader. Umumnya pengguna yang

menggunakan Arduino tidak menggunakan port ini meskipun port tersebut

sudah disediakan.

2.4 Motor DC Driver L298N

Merupakan sebuah perangkat elektronik yang memiliki basis dari IC L298

dual H-Bridge. Driver L298N ini berfungsi untuk melakukan pengaturan terhadap

arah atau kecepatan pada motor DC. Rangkaian ini diperlukan karena secara umum

motor DC dapat berkerja apabila arus yang digunakan sebesar 250 mA atau lebih.

21

Untuk beberapa IC yang tidak dapat memberikan arus sebesar 250 mA atau lebih

seperti keluarga ATMega.

Gambar 2.9 Motor Driver L298N H-Bridge

(Sumber : amazon.in)

Prinsip kerja perangkat motor driver tersebut adalah menyesuaikan dengan

bentuk rangkaian padat transistor yang berbenrtuk H-bridge seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.10. Motor driver ini berfungsi untuk menggerakkan

motor DC atau 2 motor DCyang terpisah dan dapat digunakan pada motor DC

Stepper bipolar 2 fasa, menggunakan program logic-level dari Arduino atau

perangkat mikrokontroler lainnya.

Gambar 2.10 H-Bridge Transistor

(Sumber : bristolwatch.com)

Pin-pin dari driver motor H-Bridge sebagai berikut :

• Out 1, Out 2 : befungsi mengaturkeluaran dan menjalankan motor DC A

• Out 3, Out 4 : befungsi mengaturkeluaran dan menjalankan motor DC B

22

• GND : Sebagai arus negative dan penghubung ground

• 5V : sumber tegangan ke Arduino atau modul lainnya

• EnA : keluaran PWM pada motor DC A

• In1, In2 : pengatur masukan ke motor DC A

• In3, In4 : pengatur masukan ke motor DC B

• EnB : keluaran PWM pada motor DC B

Beberapa prinsip kerja dari motor driver L298N dapat dilihat pada Tabel 2.2

sebagai berikut : .

Tabel 2.2 Prinsip kerja motor driver L298N untuk keluaran motor A

Input Logika Keluaran Motor

In1 In2

0 1 Motor A berputar searah jarum jam (CW)

1 0 Motor A berputar berlawanan arah jarum jam (CCW)

1 1 Motor A tidak Berputar

0 0 Motor A tidak berputar

Tabel 2.3 Prinsip kerja motor driver L298N untuk keluaran motor B

Input Logika Keluaran Motor

In1 In2

0 1 Motor B berputarzsearah dengan jarum jam (CW)

1 0 Motor Baberputar berlawanan arah jarum jam (CCW)

1 1 Motor B tidak dapataberputar

0 0 Motor B tidak dapataberputar

Spesifikasi yang dimiliki Motor Driver L298N H-Bridge adalah :

• Double H-bridge Drive Chip berupa L298N

23

• Logical voltage : 5V Drive Voltage: 5V-35V

• Logical Current : 0-36 mA Drive Current : 2A

• Max power : 25 W

• Dimensi : 43 x 43 x 26 mm

• Berat : 26g