Elektronikindo.com – √ Skema Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC menggunakan PWM. Motor DC adalah salah satu komponen penting dalam berbagai aplikasi elektronik dan otomasi, mulai dari mainan anak hingga mesin industri. Kemampuan untuk mengatur kecepatan motor DC menjadi krusial agar motor dapat bekerja sesuai kebutuhan spesifik sistem. Salah satu metode yang paling efektif dan efisien untuk mengontrol kecepatan motor DC adalah dengan menggunakan teknik Pulse Width Modulation (PWM). Teknik ini memungkinkan pengaturan kecepatan dengan cara yang hemat energi dan presisi, tanpa kehilangan tenaga motor secara signifikan.
Artikel ini akan membahas skema rangkaian pengatur kecepatan motor DC menggunakan PWM, mulai dari prinsip dasar kerja PWM hingga implementasinya dalam rangkaian elektronik. Anda akan mempelajari bagaimana sinyal PWM dapat digunakan untuk mengontrol tegangan rata-rata yang diterima oleh motor, serta bagaimana komponen seperti transistor dan mikrokontroler berperan dalam menghasilkan sinyal tersebut. Dengan pemahaman ini, diharapkan Anda dapat merancang sendiri pengatur kecepatan motor DC yang sesuai untuk kebutuhan proyek Anda.
Apa itu Motor DC?
Motor DC (Direct Current) adalah perangkat elektris yang berfungsi untuk mengubah energi listrik dari sumber arus searah menjadi energi mekanik berupa gerakan rotasi. Prinsip kerjanya didasarkan pada interaksi antara medan magnet stator (bagian diam) dan arus listrik pada rotor (bagian bergerak), yang menghasilkan gaya elektromagnetik untuk memutar poros motor. Motor ini memiliki keunggulan berupa kontrol kecepatan yang mudah dan respons dinamis yang cepat, menjadikannya salah satu jenis motor yang paling banyak digunakan dalam berbagai aplikasi.
Dalam dunia industri, motor DC memiliki peranan penting terutama untuk perangkat yang membutuhkan torsi tinggi, kestabilan putaran, dan kecepatan yang presisi. Contohnya, motor DC banyak digunakan pada mesin conveyor, crane, lift, hingga mesin-mesin presisi seperti robot industri. Selain itu, motor DC juga sering digunakan dalam perangkat rumah tangga dan otomotif, seperti kipas angin, mobil listrik, dan mainan anak-anak. Kemampuannya untuk bekerja dengan baik pada berbagai tingkat beban dan kecepatan menjadikan motor ini pilihan yang fleksibel dalam berbagai kebutuhan teknis.
Cara Kerja Motor DC
Motor DC bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetisme, yaitu gaya Lorentz yang dihasilkan ketika arus listrik mengalir melalui konduktor dalam medan magnet. Prosesnya dimulai saat stator (bagian diam motor) diaktifkan, menghasilkan medan magnet pada celah udara (air gap) antara stator dan rotor. Medan magnet ini memiliki arah radial, yaitu masuk ke armatur (bagian rotor yang berputar) dari kutub utara stator dan keluar dari armatur menuju kutub selatan stator.
Ketika arus listrik dialirkan melalui gulungan konduktor pada armatur, interaksi antara medan magnet stator dan medan magnet yang dihasilkan arus listrik di konduktor menciptakan gaya elektromagnetik. Gaya ini bekerja pada konduktor yang terletak di sisi kutub utara dan kutub selatan, menghasilkan dua gaya dengan intensitas yang sama tetapi arah berlawanan. Kombinasi kedua gaya ini menciptakan torsi elektromagnetik yang mendorong rotor untuk berputar. Perputaran ini berlanjut secara kontinu karena arus dalam konduktor terus diperbarui melalui mekanisme komutator dan sikat (brush), yang memastikan polaritas medan magnet tetap sinkron dengan arah rotasi rotor. Hasil akhirnya adalah gerakan rotasi yang dapat digunakan untuk menggerakkan berbagai macam beban mekanik.
Jenis Motor DC Industri
Motor DC memiliki peran penting dalam dunia industri, digunakan untuk menggerakkan berbagai perangkat seperti mesin bubut, alat-alat perkakas, derek, hingga conveyor. Berikut ini adalah beberapa jenis motor DC yang umum dikenal saat ini.
1. Motor DC Self-Excited
Merupakan jenis motor DC yang mampu menghasilkan medan magnetnya sendiri tanpa memerlukan sumber eksternal. Motor ini terbagi lagi menjadi tiga jenis, yaitu:
a. Motor DC Shunt
Jenis motor DC ini memiliki dua gulungan utama, yaitu gulungan medan dan gulungan armature. Gulungan medan terhubung secara paralel (shunt) dengan gulungan armature dan disuplai oleh sumber tegangan tetap. Ketika motor DC shunt diaktifkan, gulungan medan menghasilkan medan magnet yang stabil di sekitar gulungan armature, memungkinkan motor bekerja dengan efisien.
Motor DC shunt sering digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan kecepatan konstan, seperti mesin bubut, blower, dan berbagai jenis mesin perkakas.
b. Motor DC Seri
Motor DC gulungan seri memiliki gulungan medan yang terhubung secara seri dengan gulungan armature, menghasilkan medan magnet yang kuat namun dengan kecepatan yang dapat berubah-ubah. Motor ini mampu menghasilkan torsi awal yang tinggi, sehingga cocok digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan daya dorong awal yang besar, seperti derek dan conveyor.
c. Motor DC Compound Wound
Motor DC compound, atau sering disebut Compound Motor, adalah jenis motor DC yang menggabungkan karakteristik motor DC shunt dan motor DC seri. Motor ini memiliki dua set gulungan medan, yaitu gulungan medan shunt dan gulungan medan seri, yang dihubungkan dalam satu sistem untuk bekerja secara bersamaan.
Pada motor DC compound, gulungan medan shunt terhubung secara paralel dengan gulungan armature, seperti pada motor DC shunt. Sementara itu, gulungan medan seri dihubungkan secara seri dengan gulungan armature, seperti pada motor DC seri. Dengan konfigurasi ini, motor DC compound mampu menggabungkan keunggulan dari kedua jenis motor tersebut, menawarkan performa yang seimbang antara torsi awal yang tinggi dan kestabilan kecepatan.
Compound Motor terbagi menjadi dua jenis, yaitu:
- Motor Compound Kumulatif
Pada jenis ini, fluks magnet yang dihasilkan oleh gulungan medan seri dan gulungan medan shunt mengarah dalam arah yang sama. Hal ini membuat motor mampu menghasilkan torsi awal yang tinggi sekaligus menjaga kecepatan yang relatif konstan. Motor compound kumulatif sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan torsi besar dan kecepatan stabil, seperti rolling mills dan mesin gunting. - Motor Compound Diferensial
Pada motor ini, fluks magnet dari gulungan medan seri berlawanan arah dengan fluks dari gulungan medan shunt. Meskipun mampu memberikan torsi awal yang tinggi, motor ini memiliki kecepatan yang dapat bervariasi, menjadikannya cocok untuk aplikasi yang membutuhkan torsi awal besar dengan pengendalian kecepatan, seperti pada mesin pembuat kertas.
2. Motor DC Separately Excited (Motor DC Terpisah)
Motor DC Separately Excited (Motor DC Terpisah) adalah jenis motor DC di mana medan magnetnya dihasilkan secara independen dari gulungan armature (gulungan utama yang menggerakkan poros motor). Pada motor ini, terdapat dua sumber daya arus terpisah: satu untuk gulungan medan dan satu lagi untuk gulungan armature, memungkinkan pengoperasian yang fleksibel.
Keunggulan utama motor DC terpisah adalah kemampuannya untuk mengontrol kecepatan dan torsi secara terpisah. Arus yang mengalir melalui gulungan armature dapat disesuaikan untuk mengatur kecepatan motor, sementara arus medan dapat diatur secara independen untuk mengontrol torsi.
Jenis motor ini banyak digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan kontrol presisi dan fleksibilitas torsi, seperti pada mesin penggilingan, pompa, konveyor, dan berbagai perangkat industri lainnya.
Skema Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC menggunakan PWM
Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengontrol kecepatan putaran motor DC. Pengaturan kecepatan ini menggunakan metode PWM (Pulse Width Modulation), yang menghasilkan pulsa digital untuk mengatur kecepatan putaran motor. Sebelum membahas lebih lanjut tentang skema rangkaian, penting untuk memahami prinsip dasar kerja motor DC dan cara kerja PWM.
Motor DC merupakan komponen elektromekanik yang mengubah energi listrik menjadi gerakan mekanik. Motor ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu stator dan rotor. Stator adalah bagian yang diam dan terdiri dari dua kutub magnet yang saling berlawanan, sementara rotor adalah bagian yang berputar karena perbedaan kutub medan magnet antara stator dan kumparan rotor. Saat motor DC berputar, ia menghasilkan torsi (gaya putar) dan kecepatan putaran yang diukur dalam satuan RPM (revolusi per menit).
Metode PWM (Pulse Width Modulation) adalah teknik untuk mengatur lebar pulsa digital dengan periode yang berbeda namun dengan frekuensi yang sama. PWM biasanya dinyatakan dalam persen (%). Semakin besar persentase PWM, semakin lebar pulsa high yang dihasilkan, yang berpengaruh pada kecepatan motor. Selain digunakan untuk mengatur kecepatan motor DC, PWM juga diterapkan untuk berbagai keperluan lain, seperti pengaturan intensitas cahaya pada lampu DC, kontrol daya dalam telekomunikasi, pengaturan tegangan untuk beban, regulator tegangan, efek audio, penguatan sinyal, dan banyak aplikasi lainnya.
Skematik Rangkaian
Berikut ini adalah skema rangkaian digital untuk mengatur putaran motor DC menggunakan metode PWM:
Prinsip Kerja Rangkaian
Rangkaian ini dibangun dari beberapa rangkaian dasar yang digabungkan, antara lain rangkaian pembangkit clock, rangkaian counter 2 bit, rangkaian penahan (latch), dan rangkaian komparator.
Pertama-tama, rangkaian clock menghasilkan pulsa kontinu menggunakan IC NE555. Frekuensi dan duty cycle yang dihasilkan bergantung pada nilai komponen C1, R1, dan R2. Rumus untuk menghitung frekuensi output dari rangkaian clock ini adalah:
F = 1,44 / {(R1 + 2R2) * C1}
Pada Skema diatas diketahui Nilai R1 = R2 = 4.7K ohm, C1= 100nF. Maka Frekuensinya adalah :
- F = 1,44 / {(4700 + 2.4700)*0.0000001}
- F= 1,44 / {(141000)*0.00000001}
- F=1,44 / 0.0141
- F=1021Hz atau 1KHz
Rumus duty Cyclenya adalah :
- D = ((R1 + R2 )* 100) / (R1 + 2R2 )
- D= { ((R1 +R2)*100) / (R1+2R2) }
- D= { ((4700 +4700)*100) / (4700+9400) }
- D= 66.6%
Setelah pulsa clock dihasilkan, pulsa tersebut akan digunakan oleh rangkaian pencacah (counter) 2 bit yang menggunakan IC TTL 4013. Hasil pencacahan dapat dibaca pada pin B0 dan B1 sesuai dengan tabel di bawah ini:
Rangkaian penahan (latch) adalah rangkaian yang dibangun menggunakan IC 4013, berfungsi untuk menahan nilai cacahan sampai sinyal denyut berikutnya diberikan. Saklar UP digunakan untuk memberikan logika masukan pada latch, yang memungkinkan rangkaian untuk mencacah satu tingkat.
Setiap kali pencacahan terjadi, hasilnya akan muncul pada pin A0, A1, dan A2, yang menunjukkan nilai dari 000 hingga 101. Ketika saklar UP ditekan sebanyak empat kali, rangkaian IC AND akan mereset cacahan kembali ke nilai awal (000). Hasil cacahan dapat dilihat pada tabel di bawah ini:
Rangkaian dekoder yang menggunakan IC 7447 berfungsi untuk mengubah input bilangan biner menjadi tampilan pada display Seven Segment. Angka yang muncul pada display akan mengikuti data dari pin A0, A1, dan A2, sebagaimana ditunjukkan dalam tabel di bawah ini:
Hasil cacahan dari rangkaian counter dan rangkaian latch kemudian dibandingkan oleh rangkaian komparator yang menggunakan IC 7485. IC ini membandingkan data pada pin A0, A1, dan A2 dengan data pada pin B0 dan B1. Pin 5 dari IC 7485 akan mengeluarkan logika high apabila kondisi QA > QB.
Pada kondisi awal, ketika saklar UP belum ditekan, nilai A adalah 000, yang kemudian dibandingkan dengan hasil pencacahan counter pada B0 dan B1 yang berulang dalam urutan 00, 01, 10, dan 11. Dalam keadaan ini, karena nilai A tidak pernah lebih besar (>) dari B, output pada pin 5 adalah 0, yang berarti PWM adalah 0%.
Ketika saklar UP ditekan sekali, nilai A berubah menjadi 001. Jika dibandingkan dengan B, hasilnya akan menghasilkan PWM sebesar 25%. Untuk penjelasan lebih lengkap, perhatikan tabel di bawah ini:
BACA JUGA :
- √ Skema Rangkaian Tone Control Dengan Kontrol Balance Sederhana
- √ Skema Rangkaian Joule Thief (JT) dan Prinsip Kerjanya Lengkap
- √ Skema Rangkaian Inverter 12V to 220V menggunakan trafo CT
- √ Skema Rangkaian Power Amplifier TDA 2030 Watt yang Tepat
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, rangkaian pengatur kecepatan motor DC menggunakan PWM menawarkan solusi yang efisien dan presisi dalam mengontrol kecepatan putaran motor.
Dengan memanfaatkan metode Pulse Width Modulation (PWM), kita dapat mengatur besarnya daya yang diberikan kepada motor, sehingga kecepatan motor dapat disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi tertentu.
Dalam artikel ini, kita telah membahas berbagai komponen penting dalam skema rangkaian tersebut, mulai dari rangkaian clock, counter, latch, hingga komparator, yang bekerja secara sinergis untuk menghasilkan pengaturan kecepatan yang diinginkan.
Penerapan metode PWM tidak hanya terbatas pada motor DC, tetapi juga memiliki berbagai aplikasi lain dalam pengaturan intensitas cahaya, pengaturan daya, dan kontrol sistem lainnya.
Dengan pemahaman tentang prinsip dasar dan implementasi rangkaian ini, diharapkan Anda dapat merancang dan mengaplikasikan sistem pengatur kecepatan motor DC yang efisien dan sesuai dengan kebutuhan spesifik.
Demikianlah artikel elektronikindo.com yang membahas tentang √ Skema Rangkaian Pengatur Kecepatan Motor DC menggunakan PWM. Semoga artikel kami dapat bermanfaat dan terimakasih telah membaca artikel ini.
