Meskipun yang menggerakkan sebuah mobil adalah mesin yang mengkonversikan energi kimia bahan bakar menjadi energi mekanik, sebuah mesin harus didukung dengan sistem-sistem lain seperti charging system, starting system, ignition system, dan lainnya. Sistem-sistem pendukung mesin dan kendaraan juga mengkonversi energi listrik kedalam energi gerak dan sebaliknya. Untuk itu, artikel ini membahas tentang konsep elektromagnetik yang dirangkum dari berbagai sumber.
1. Magnet dan Medan Magnet
Setiap magnet memiliki kutub utara dan kutub selatan. Diantara kedua kutup tersebut, banyak garis magnet yang tidak terlihat dan setiap garis gaya magnet merupakan garis yang independen, tidak ada garis yang dapat melintang atau menyentuh satu sama lain. Gaya menarik yang terbesar ada pada ujung magnetnya. Perhatikan pola garis yang terdapat diantara dua kutub. Garis-garis tersebut adalah cerminan dari suatu garis gaya, atau kutubnya. Garis-garis gaya tersebut lebih terkonsentrasi di kutubnya.
Gambar 1 Garis-garis gaya magnet
Banyaknya garis tak terlihat dari gaya magnet yang mengelilingi suatu magnet disebut dengan magnetic flux. Jika magnetnya kuat, garis-garis tersebut akan banyak. Jadi, kepadatan medan flux atau jumlah garis per cm2 dapat menentukan kekuatan suatu medan magnet.
Magnetic flux density = magnetic flux/area
B = Ø/A
Dimana:
B : medan induksi [Gauss]
Ø : flux garis gaya magnet [Weber], dan
A : adalah luas penampang dalam [cm2]
2. Induksi Magnet
Pada abad 18 dan 19 terdapat penemuan besar mengenai hubungan antara listrik dan magnet. Medan magnet akan selalu terdapat disekitar kawat penghantar listrik (konduktor) yang sedang dilalui arus. Kita bisa menbuktikannya dengan percobaan sederhana. Alirkan arus ke kawat penghantar listrik melalui kertas karton. Tempatkan kompas kecil mendekati konduktor, maka kompas akan mengarah ke garis-garis gaya magnet (Gambar 2). Jika arus dibalikkan, maka kompas juga akan mengarah terbalik 180 derajat. Hal ini menunjukkan bahwa arah bidang magnet akan tergantung pada arah arus. Menurut teori lama arus, dikatakan bahwa arus mengalir dari positif ke negatif. Dengan memakai aturan tangan kanan seperti pada Gambar 3, ibu jari menunjuk ke arah arus sedangkan jari-jari lainnya menunjuk ke medan magnet.
Gambar 2 Medan magnet di sekitar arus listrik
Gambar 3 Aturan tangan kanan
Pada Gambar 4, titik ditengah konduktor adalah titik anak panah, yang menunjukkan arus mengalir mengarah ke depan. Lingkaran anak panah menunjukkan arah dari medan mangnetnya. Kaidah ini sangat penting dalam menghantarkan arus bolak-balik, karena penempatan kawat-kawat atau lead dress akan mempengaruhi kerja suatu rangkaian listrik. Beberapa konduktor dikelompokkan berpasangan untuk menghilangkan kemungkinan efek panas dan ganguan radio oleh medan magnet yang terbentuk dari aliran arus.
Gambar 4 Kaitan antara aliran arus dan bidang magnet
3. Aplikasi Elektromagnetik pada komponen Otomotif
Beberapa komponen pada kendaraan menggunakan konsep elektromagnetik, baik sebagai penguat, penggerak, saklar, dan sebagainya. Berikut contoh contohnya.
3.1. Solenoid
Bila sebuah konduktor dibalut dalam bentuk sebuah coil, atau solenoid, garis magnetnya akan terpusat di dalam coil, sehingga medan magnetnya menjadi lebih kuat. Skema solenoid menyerupai medan magnet dengan satu kutub utara dan satu kutub selatan. Konsep solenoid disajikan dalam Gambar 5.
Gambar 5 Konsep solenoid
Kekuatan medan magnet pada suatu solenoid tergantung dari jumlah lilitan kabel di dalam coil dan besarnya arus yang mengalir melalui coil. Perkalian antara arus dan banyaknya lilitan pada coil disebut dengan lilitan amper atau amper gulung (NI), yang merupakan ukuran kekuatan medan magnet. Misalnya jika lilitan amper adalah 500, maka itu adalah angka kekuatan magnetnya, hasil dari perkalian lilitan dan amper yang totalnya adalah 500. Aplikasi solenoid dalam kendaraan antara lain sebagai berikut.
Gambar 6 Diesel fuel cut off solenoid
Gambar 7 AC Compressor Control Valve
Selanjutnya, aplikasi solenoid yang lebih luas diilustrasikan dalam gambar sebagai berikut.
Gambar 8 Aplikasi solenoid pada kendaraan
3.2. Relay
Relay adalah suatu komponen yang dipakai untuk mengontrol aliran arus yang besar melalui tegangan kecil. Relay merupakan saklar magnetic. Saat coil relay diberi magnet, maka dia akan menarik lever arm, yang disebut armatur. Titik kontak pada armatur akan menutup atau membuka berdasarkan posisi awalnya. Posisi awal mengacu pada posisi kontak sebelum solenoid dialiri listrik. Ada relay normaly open (NO) dan normaly closed (NC).
Gambar 9 Konstruksi umum sebuah relay
Dalam kendaraan, relay-relay ditempatkan dalam satu box dan diberikan notifikasi, untuk memudahkan perawatan.
Gambar 10 Penempatan relay dan notifikasinya
Relay adalah switch listrik atau remote control yang dikendalikan oleh switch lain, seperti saklar kombinasi, switch AC, kunci kontak, dan lainnya. Relay memungkinkan sirkuit arus kecil untuk mengendalikan rangkaian arus yang lebih tinggi. Beberapa desain relay yang digunakan saat ini antara alin 3-pin, 4-pin, 5-pin, dan 6-pin, dengan switch tunggal atau switch ganda.
Gambar 11 Beberapa jenis relay dan konstruksi umumnya
Gambar 12 Penggunakan relay untuk kontrol arus klakson
Semua relay beroperasi menggunakan prinsip dasar yang sama. Sebagai contoh, relay 4 – pin adalah yang umum digunakan. Relay memiliki dua sirkuit, yaitu sirkuit kontrol (ditunjukkan dalam warna hijau) dan sirkuit beban (ditunjukkan dalam warna merah). Rangkaian kontrol memiliki koil kontrol kecil sedangkan rangkaian beban memiliki saklar. Kumparan mengendalikan pengoperasian saklar.
 |
 |
 |
| (a) | (b) | (c) |
| Gambar 13 Relay empat pin: (a) arus kontrol dan arus utama, (b) reley aktif, dan (c) relay tidak aktif | ||
Arus yang mengalir melalui kumparan rangkaian kontrol (pin 1 dan 3) menciptakan medan magnet kecil yang menyebabkan saklar tertarik, pin 2 dan 4 terhubung. Saklar, yang merupakan bagian dari rangkaian beban, digunakan untuk mengendalikan rangkaian listrik arus besar. Saat arus kendali dihilangkan, pegas akan menarik saklar untuk membuka ke posisi awal.
3.3. Transformator
Transformator adalah suatu komponen yang dipakai untuk mentrasfer energi listrik dari satu sirkuit ke sirkuit lainnya menggunakan induksi electromagnetic. Sebuah transformator terdiri dari dua grup coil yang digulungkan ke inti besi yang terbungkus, yaitu primary coil dan secondary coil.
Gambar 14 Konsep transformator
Energi pada secondary coil adalah hasil dari perubahan medan magnet yang dihasilkan oleh primary coil. Pripsip kerja transformator sama pada pembangkitan electromotive force, bedanya pada tranformator tidak adanya gerakan phisik. Sebagai gantinya, medan magnet bisa naik dan turun menggatikan gerakan. Primary coil membangkitkan medan magnet secara naik-turun (self induction) yang memotong konduktor di dalam secondary coil. Kemudian, secondary coil mempunyai tegangan yang yang dibiaskan oleh reaksi elektrikal dari primary coil. Prinsip ini disebut dengan mutual induction (induksi bersama).
Fungsi transformator adalah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan. Oleh karena itu, tegangan akan dinaikkan atau diturunkan adalah berdasarkan rasio jumlah lilitan pada secondary coil terhadap primary coil. Semakin besar rasionya, semakin besar pula beda tengangan yang dihasilkan.
Gambar 15 Primary coil dan secondary coil
Dalam transformator berlaku sebuah persamaan matematik sebagai berikut.
Dimana:
Ep = tegangan pada primary coil
Es = tegangan pada secondary coil
Np = banyaknya lilitan pada primary coil
Ns = banyaknya lilitan pada secondary coil
Transformator Step-Up
Step-up berfungsi untuk menaikkan atau memperbesar tegangan bolak-balik suatu sumber. Ciri-ciri dari transfomator ini adalah:
- Tegangan pada kumparan sekunder lebih besar dari tegangan pada kumparan primer Es > Ep
- Jumlah lilitan pada kumparan sekunder lebih banyak dari kumparan primer Ns > Np
- Arus pada kumparan primer lebih besar dari arus listrik pada kumparan sekunder Ip > Is
Transformator Step-Down
Step-down berfungsi untuk menurunkan atau memperkecil tegangan bolak balik dari suatu sumber. Ciri-ciri step down adalah kebalikan dari step up, yaitu Ep > Es; NP > Ns; dan Ip < Is.
Efisiensi Transformator
Efisiensi adalah nilai yang menyatakan perbandingan antara daya keluaran (Pout) dengan daya masukan (Pin). Nilai efisiensi transfomator dirumuskan sebagai berikut.
dimana :
η = Efisiensi transformator (%)
Ps = daya pada secondary coil (W)
Pp = daya pada primary coil (W)
Is = kuat arus pada secondary coil (A)
Ip = kuat arus pada primary coil (A)
Apabila efisiensi sebuah transformator sama dengan 100% berarti daya listrik pada primary coil sama dengan daya listrik pada primary coil.
karena
maka
Transformator yang demikian disebut dengan transformator ideal. Apabila efisiensi transformator kurang dari 100% maka ada daya listrik yang hilang atau disebut rugi daya. Transformator ini disebut transfomator tidak ideal. Besarnya daya yang hilang dirumuskan
Ph = daya listrik yang hilang atau rugi daya (W)
Salah satu aplikasi transformator pada mobil adalah pada ignition coil. Ignition coil menghasilkan percikan tegangan tinggi untuk membakar campuran udara-bahan bakar dalam ruang bakar. Komponen ini memakai rasio Ns/Np yang tinggi untuk mendapatkan tegangan sebesar 30,000 volt atau lebih yang mampu melompatkan arus listrik di celah busi.
Mobil menggunakan arus tegangan searah atau DC sebesar 12V dari baterai. Gambar 16 menunjukkan suatu rangkaian pengapian pada kendaraan. Tegangan baterai 12V dihubungkan secara seri dengan ignition switch®ke ignition coil ®kemudian ke distributor. Distributor secara bergiliran membuka dan menutup sirkuit melalui sebuah igniter. Reaksi tersebut menghasilkan getaran energi listrik yang mengalir ke coil, secara bergantian. Pulsa tersebut yang manaikkan dan menurunkan GGL dalam coil, kemudian menghasilkan reaksi transformator.
Gambar 16 Konsep transformator pada ignition coil
3.4. Generator
Bila sebuah konduktor digerakkan melintasi bidang magnet, maka di dalam konduktor tersebut terdapat electromotive force (EMF). Bila konduktor membentuk bagian sirkuit yang sangat dekat maka EMF yang dihasilkan akan mengalirkan arus mengelilingi sirkuit. Disini EMF dibiaskan ke dalam konduktor sebagai hasil dari gerakan melintasi bidang magnet. Efek dari reaksi tersebut dikenal sebagai induksi elektromagnet. Cara lain untuk mengetahui arah arus listrik adalah melalui aturan tangan-kanan yang ditemukan oleh Fleming.
Gambar 17 Induksi magnet yang memotong conduktor melalui medan magnet
Generator adalah suatu komponen yang berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi listrik. Perubahannya dapat dilihat pada Gambar 5.17. Revolusi coil (energi mekanis) dirubah ke arus induksi (energi listrik).
Perbedaan utama antara Generator AC dan DC adalah pada pemakaian slip ring di dalam generator AC dan pemakaian commutator (split ring) di dalam generator DC. Baik slip ring dan split ring gunanya adalah memberikan koneksi arus listrik dari armatur ke sirkuit beban generator. Dua buah slip ring digunakan pada generator AC. Slip ring tersebut berfungsi untuk menjaga koneksi antara sirkuit armatur dan sirkuit bagian luar. Sedangkan pada generator DC, split ringnya terputus sehingga penghasilkan listrik setengah gelombang.
Gambar 18 Konsep generator AC
Gambar 19 Konsep generator DC
Secara umum, terlihat perbedaan secara konstruksi antara genarator AC dan DC. Generator AC memiliki stator berupa lilitan kabel yang tetap dan rotor berupa magnetnya. Jadi magnet berputar di sekitar kumparan. Sementara itu, generator DC memiliki kumparan yang berputar dengan magnet sebagai statornya.
Gambar 20 Genarator Shunt
Gambar 21 Genarator Serie
3.5. Alternator
Alternator dipakai untuk sistem pengisian pada semua kendaraan. Gambar 22 adalah bagian dalam dari alternator, termasuk di dalamnya voltage regulator untuk mengatur output. Output dari alternator disearahkan untuk pengisian baterai dan disuplai langsung komponen kelistrikan lainnya. Alternator mempunyai beberapa keuntungan dibanding generator DC. Keuntungan ini termasuk output yang lebih besar pada kecepatan rendah.
Gambar 22 Alternator
Alternator memiliki tiga bagian utama yaitu rotor, stator, dan rectifier. Rotor (field coil) menghasilkan medan magnet. Saat rotor digerakkan oleh putaran pulley, arus mengalir dari brushes, melalui slip ring, ke field coil. Rotor mendapat aliran listrik, kemudian menjadi kutub magnet. Stator menghasilkan gaya gerak listrik (electromotive force) karena dipengaruhi oleh rotor core. Listrik yang dibangkitkan oleh stator dialirkan ke rectifier. Rectifier berfungsi untuk menyearahkan output stator AC menjadi DC.
Gambar 23 Skema kerja alternator
3.6. Motor DC
Selain beberapa komponan yang telah dijelaskan diatas, konsep elektromagnetik pada otomotif juga digunakan pada motor DC. Ada dua jenis motor DC, yaitu stator dengan magnet permanen seperti yang digunakan untuk motor wiper dan stator dengan mengnet listrik seperti yang digunakan untuk motor starter. Konsep kerja motor DC adalah kebalikan dari generator DC.
Gambar 24 Motor DC dengan magnet listrik
Gambar 25 Motor DC dengan magnet permanen
Saat ini, motor DC pada aplikasi otomotif telah digunakan secara luas diantaranya pada pompa bahan bakar, motor kipas radiator, motor kipas condenser AC, motor blower evaporator, motor penggerak power windows, sampai pada motor DC kecil untuk pompa washer, dan lain-lain.
3.7. Motor Stepper
Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkannya diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah :
- Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur.
- Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak.
- Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi.
- Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran).
- Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC.
- Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya.
- Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas.
Gambar 26 Motor stepper
Motor stepper merupakan perangkat pengendali yang mengkonversikan bit-bit masukan menjadi posisi rotor. Bit-bit tersebut berasal dari terminal-terminal input yang ada pada motor stepper yang menjadi kutub-kutub magnet dalam motor. Bila salah satu terminal diberi sumber tegangan, terminal tersebut akan mengaktifkan kutub di dalam magnet sebagai kutub utara dan kutub yang tidak diberi tegangan sebagai kutub selatan. Dengan terdapatnya dua kutub di dalam motor ini, rotor di dalam motor yang memiliki kutub magnet permanen akan mengarah sesuai dengan kutub-kutub input. Kutub utara rotor akan mengarah ke kutub selatan stator sedangkan kutub selatan rotor akan mengarah ke kutub utara stator.
Prinsip kerja motor stepper mirip dengan motor DC, sama-sama dicatu dengan tegangan DC untuk memperoleh medan magnet. Bila motor DC memiliki magnet tetap pada stator, motor stepper mempunyai magnet tetap pada rotor. Adapun spesifikasi dari motor stepper adalah banyaknya fasa, besarnya nilai derajat per step, besarnya volt tegangan catu untuk setiap lilitan, dan besarnya arus yang dibutuhkan untuk setiap lilitan.
Motor stepper tidak dapat bergerak sendiri secara kontinyu, tetapi bergerak secara diskrit per-step sesuai dengan spesifikasinya. Untuk bergerak dari satu step ke step berikutnya diperlukan waktu dan menghasilkan torsi yang besar pada kecepatan rendah. Salah satu karakteristik motor stepper yang penting yaitu adanya torsi penahan, yang memungkinkan motor stepper menahan posisinya yang berguna untuk aplikasi motor stepper dalam yang memerlukan keadaan start dan stop.
Gambar 27 Konsep motor stepper
Tegangan input
Tiap motor stepper mempunyai tegangan rata-rata yang tertulis pada tiap unitnya atau tercantum pada datasheet masing-masing. Tegangan rata-rata ini harus diperhatikan dengan seksama karena bila melebihi dari tegangan rata-rata ini akan menimbulkan panas yang menyebabkan kinerja putarannya tidak maksimal atau bahkan motor stepper akan rusak dengan sendirinya.
Resistansi
Resistansi per lilitan adalah karakteristik yang lain dari motor stepper. Resistansi ini akan menentukan arus yang mengalir, selain itu juga akan mempengaruhi torsi dan kecepatan maksimum dari motor stepper.
Derajat per step
Besarnya derajat putaran per step adalah parameter terpenting dalam pemilihan motor stepper karena akan menentukan ukuran langkah gerakan yang paling kecil (resolusi). Tiap-tiap motor stepper mempunyai spesifikasi masing-masing, antara lain 0.72° per step, 1.8° per step, 3.6° per step, 7.5° per step, 15° per step, dan bahkan ada yang 90° per step. Dalam pengoperasiannya kita dapat menggunakan 2 prinsip yaitu full step atau half step. Dengan full step berarti motor stepper berputar sesuai dengan spesifikasi derajat per stepnya, sedangkan half step berarti motor stepper berputar setengah derajat per step dari spesifikasi motor stepper tersebut.
Aplikasi motor stepper pada kendaraan diantaranya pada Idle Speed Control (ISC) Valve dan pengatur ketinggian lampu depan.
Gambar 28 Motor stepper untuk ISC valve
Gambar 29 Motor stepper untuk head lamp auto adjuster
Baca Juga:
- Teori Dasar Listrik
- Besaran Listrik
- Pengukuran Besaran Listrik
- Hukum Kirchhoff
- Wheatstone bridge
- Elektrokimia dan Aplikasinya
Referensi:
Setiyo, M. (2017) Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (Basic Automotive Electricity and Electronics). Edited by A. Burhanudin. Magelang: UNIMMA Press.