analisa media transmitter dan receiver daya listrik...
TRANSCRIPT
ANALISA MEDIA TRANSMITTER DAN RECEIVER DAYA LISTRIK
PADA WIRELESS CHARGER TESLA
Iwan
Abstrak
Sistem transfer daya listrik pada saat ini sangat dibutuhkan,dengan adanya sistem
wireless yang digunakan untuk mempermudah mengambil sumber daya listrik untuk
menghidupkan komponen-komponen elektronik secara praktis, dengan Metode yang
digunakan pada sistem Wireless Power Transmission adalah induksi resonansi magnetik.
Dimana, tegangan dengan frekuensi tinggi dipancarkan oleh transmitter lalu dengan prinsip
resonansi tegangan yang dipancarkan dapat diterima oleh receiver dalam bentuk tegangan
berfrekuensi sama dengan transmitter. Pada penelitian ini untuk menghasilkan tegangan
berfrekuensi digunakanlah oscillator.
Kata kunci: transmitter,induksi resonansi magnetik,oscillator.
PENDAHULUAN
Dijaman modern sekarang ini
banyak sekali alat-alat yang sangat
canggih banyak dikeluarkan, alat-alat
tersebut pastinya tidak terlepas yang
namanya sumber daya atau membutuhkan
sumber daya listrik.maka dari itu
bermunculan inovasi-inovasi baru untuk
menciptakan berbagai macam media yang
dijadikan suplai tenaga listrik atau sumber
listrik untuk mengisi alat-alat elektronik
yang membutuhkan tenaga listrik.dimana
sumber listrik tersebut akan dijadikan inti
untuk menghidupan komponen
tersebut.kembali kepada penemu-penemu
listrik yang sudah sanga-sangat berjasa
sekali untuk menciptakan sumber tenaga
listrik,sehingga pada saat ini seluruh
manusia sudah menikmati hasil penemuan
mereka yaitu listrik yang memberikan
penerangan.
Pada tahun 2007 secara mengejutkan,
Marin Soljacic dkk peneliti di
Massachusetts Institute of Technology
(MIT), berhasil menyalakan balon listrik
60 watt pada jarak 2 meter . Mereka
menemukan bahwa untuk mendapatkan
efisiensi transmisi energi listrik yang
tinggi, antara pengirim dan penerima harus
memiliki frekwensi resonansi yang sama.
Sebuah transmitter wireless energi listrik
memancarkan medan magnet dengan
bantuan coil yang dipancarkan dengan
frekuensi yang sama dengan receiver. Agar
impedansinya optimal, digunakan
gulungan kabel pada kedua sisinya.
Gulungan kabel juga berfungsi sama
seperti gigi transmisi sepeda. Saat
menanjak gigi transmisi diturunkan agar
mendapatkan energi yang lebih efisien,
begitupun sebaliknya. Receiver juga
menentukan sendiri tegangan yang
diperlukan sesuai dengan ukuran. Dengan
teknologi ini tidak ada kontak fisik antara
pengirim dan penerima. Selain itu,
transmiter juga hanya memancarkan energi
sebanyak yang diperlukan oleh receiver.
Pada akhir abad ke 18, seorang
ilmuan yang bernama Nikola Tesla
memiliki pemikiran tentang bagaimana
mentransmisikan tengangan dengan media
udara atau dengan kata lain tanpa perantara
kabel (wireless). Dari percobaan yang
dilakukan tersebut dihasilkan sebuah alat
yang dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu
kumparan Tesla (Tesla Coil) . Dengan Alat
ini Nikola Tesla dapat menghasilkan
tegangan yang sangat tinggi, arus yang
kecil, frekuensi yang sangat tinggi dan
berhasil mengirimkan daya listrik sebesar
1.000.000 volt tanpa melalui suatu kabel
sejauh 26 mil untuk menyalakan kurang
lebih 200 lampu dan 1 motor listrik.
Gambar 1. desain awal wireless power
transfer Nikola Tesla
TRANSFER ENERGY
Kopling energi terjadi ketika
sumber energi memiliki alat untuk
mentransfer energi dari satu objek ke objek
yang lain. Contoh paling sederhana ketika
sebuah lokomotive menarik rangkaian
gerbong kereta api. Kopling mekanik yang
menghubung lokomotive dan gerbong
memungkinkan kereta untuk bergerak dan
mengalahkan gaya gesek antara roda
kereta dengan rel sehingga kereta dapat
melaju.
Kopling magnetik terjadi ketika medan
magnet pada salah satu objek berinteraksi
dengan objek yang lain dan
menginduksikan arus listrik pada objek
tersebut. Melalui mekanisme ini energi
listrik dapat ditransfer dari sumber supply
energi ke peralatan yang memerlukan
energi listrik.
Sangat berbeda dengan kopling
mekanik seperti yang dicontohkan pada
kereta api, kopling magnetik tidak
memerlukan kontak secara fisik antara
sumber pengirim atau pembangkit energi
dengan objek yang menerima energi
tersebut.
Gambar 2. Magnetic Coupling
Rangkaian oscillator pada prinsipnya
hampir sama dengan rangkaian inverter
untuk mengubah gelombang searah DC
menjadi gelombang denyut AC. Pada
rangkaian digital komponen oscillator
sederhana seperti crystal banyak
digunakan sebagai pembangkit clock
sinyal pada integrated circuit agar dapat
berkomunikasi IC to IC. Sedangkan pada
perangkat elektronik saat ini rangkaian
oscillator banyak digunakan pada
rangkaian power supply/ SMPS (switch
main Power supply) Dengan bantuan IC
PWM sebagai trigger untuk menghasilkan
gelombang denyut. Sedangkan pada
pengembangan saat ini dalam dunia
kelistrikan dimana tuntutan teknologi yang
semakin besar akan effisiensi dalam hal
biaya dan instalasi, konsep wireless power
atau transmit daya listrik dalam jumlah
besar tanpa menggunakan kabel sebagai
penyalur utama menjadi tantangan
dibanyak belahan dunia. Rangkaian
oscilolator menjadi bagian penting dalam
sistem wireless power, dimana gelombang
denyut yang dihasilkan rangkaian
oscillator pada dasarnya menghasilkan
medan elektromagnetik yang berubah-
ubah. Dan jika radiasi medan
elektromagnetik tersebut terkena kawat/
konduktor yang berada dalam jarak
radiasinya maka akan menyebabkan
timbulnya arus pada kawat tersebut
(percobaan faraday).
Gambar 3. Diagram wireless Power
Transfer
Vinduksi = - N d∅
dt
∅ = BA
Dimana: V ind = Tegangan induksi (Volt)
N = Jumlah lilitan
B = Medan magnetik (Tesla)
A = Fluks magnetik (weber)
∅ = Luas Kumparan (Meter
persegi)
Sebuah Colpitts osilator , yaitu setelah
perusahaan penemu Edwin H. Colpitts
adalah salah satu dari sejumlah desain
untuk osilator elektronik sirkuit dengan
menggunakan kombinasi dari induktansi
(L) dengan kapasitor (C) untuk penentuan
frekuensi, demikian juga disebut LC
osilator . Fitur yang membedakan
rangkaian Colpitts adalah bahwa umpan
balik sinyal diambil dari pembagi tegangan
yang dibuat oleh dua kapasitor secara seri.
Salah satu fitur utama dari jenis osilator
adalah kesederhanaannya (hanya
memerlukan induktor tunggal) dan
ketahanan.
RANGKAIAN TRANSMITTER
(PEMANCAR)
Perancangan transmitter (pengirim/
pemancar) merupakan bagian yang paling
penting dalam sistem ini, jika tidak ada
rangkaian pemancar, maka sebuah
tegangan dari supply tidak dapat di
transmisi / dihantarkan tanpa
menggunakan kabel.
Dalam perancangan rangkaian
Transmitter dibutuhkan beberapa
komponen agar supaya energi yang
dipancarkan oleh alat tersebut
menghasilkan pancaran energi yang baik,
komponen utama yang sangat penting
adalah kawat email. Diameter kawat email
yang digunakan dalam rangkaian ini
adalah 3 mm
Gambar 4 Rangkaian Transmitter
RANGKAIAN RECEIVER (PENERIMA)
Pada penelitian ini receiver (penerima)
gelombang elektromagnetik dengan proses
resonansi magnetik, rangkaian penerima
hanya terdiri dari rangkaian LC saja yang
akan terhubung ke beban. Rangkaian LC.
Untuk mendapatkan penerimaan
gelombang yang hampir sempurna, maka
frekuensi resonansi sendiri pada rangkaian
penerima kurang lebih sama dengan
frekuensi resonansi pada rangkaian
transmitter, ini berguna untuk
mendapatkan frekuensi resonansi bersama
bisa terpenuhi. Jika, dalam suatu sistem
pengiriman daya listrik tanpa kabel
konstruksi dan perancangan pada sisi
penerima juga akan sangat mempengaruhi
daya listrik yang dapat diterima baik itu
dalam hal jarak maupun tegangan keluaran
yang dihasilkan ke beban. Unjuk kerja
yang dihasilkan dalam sistem ini
diharapkan lebih baik jika dibandingkan
dengan menggunakan konsep induksi
tradisional seperti pada konsep yang
dipakai pada trafo, tetapi mungkin tidak
lebih baik jika dibandingkan dengan
memakai kabel seperti biasa.
Gambar 5 Rangkaian Receiver
METODE PENELITIAN
Dalam menjelaskan rancang bangun
system dan prosedur pengukuran alat
pengukur frekuensi untuk pengiriman daya
nirkabel. Namun sebelumnya agar lebih
sistematis dan mudah di mengerti atau
dipahami. Maka membutuhkan sebuah
tahapan untuk membantu proses
pembuatan dan mencapai tujuan yang
diharapkan.
Gambar. 6 Tahapan wireless charger
Penghantar daya tanpa kabel,yang secara
umum lebih dikenal dengan sebutan
wireless powernya berupa rangkaian
pengirim ( transmitter ) dan rangkaian
penerima ( receiver).berikut skema
pembuatan rancang wireless power supply.
Gambar 6. Digram plant dasar
Rangkaian transmitter atau rangkaian
penghasil sinyal akan mengirimkan sinyal
dengan frekuensi 52 khz, sinyal yang
dikirim pada dasarnya berupa induksi
medan elaktro magnet. Yang akan
membangkikan arus pada lilitan receiver,
seperti yang kita ketahui berdasarkan
penelitian faraday bahwa medan magnet
yang berupa terhadap waktu dapat
membangkitkan arus listrik pada
konduktor. Sinyal yang diterima pada
receiver berupa sinyal sinus. Agar sinyal
yang diterima pada receiver berupa sinyal
sinus yang stabil dan dengan daya yang
maksimal maka harus dibuat rangkaian LC
yang frekuensi resonansinya 52 khz.sinus
soidal yang ditangkap tidak bias langsung
diaplikasikan kebeban yang menggunakan
arus bolak-balik (AC) karena frekuensi
yang berada diatas frekuensi peralatan
yang banyak beredar dipasaran atau
sebesar 50 hz karna dapat menyebabkan
panas berlebih dan dapat merusak
komponen. Oleh karna itu pada receiver
dibuat rangkaian bridge diode untuk
merubah dari arus AC menjadi arus DC
untuk kemudian dimanfaatkan pada beban.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam pengujian transmitter terdapat
dua jenis pengujian untuk melihat trend
yang terjadi pada sistem tersebut.
Pengujian ini bertujuan untuk melihat
frekuensi yang dihasilkan dari transmitter
yang telah dibuat hingga mendapatkan
nilai yang kiranya dianggap optimal baik
dari sisi biaya maupun hasil yang
diinginkan, pengujian itu terdiri dari :
Pengujian frekuensi transmitter
tanpa beban
Pengujian frekuensi transmitter
dengan beban
Analisa Pengujian frekuensi transmitter
tanpa beban.
Tabel 1. Data percobaan tanpa beban
Dari data diatas pada jumlah kapasitor 1
buah dengan 10 buah terjadi perubahan
yang signifikan baik dari frekuensi
maupun dari tegangan, baik tegangan peak
to peak maupun tegangan RMS. Dengan
adanya kenaikan jumlah kapasitor maka
perbandingan dengan frekuensi akan
berbanding terbalik dan sebanding lurus
dengan kenaikan tegangan pada sistem.
Dari data diatas belum bisa
mereperesentasikan mana nilai yang
terbaik dari transmitnya, namun bila
tegangan yang menjadi patokan untuk
transmisi maka bisa dipastikan semakin
besar kapasitor (sekitar 8-9 cap) akan
semakin bagus karena nilai tegangan yang
dihasilkan juga sangat besar. Namun hal
lain yang perlu dilihat yaitu pada hukum
kecepatan rambat dimana:
v = λ × f (4-1)
maka semakin kecil nilai frekuensi akan
berpengaruh pada kecepatan rambat (jika
kita asumsikan panjang gelombang selalu
sama). Dengan lambatnya kecepatan
rambat pada sistem maka akan
mempengaruhi penghantaran daya. Oleh
karena itu dari data diatas dapat diambil
nilai rata-rata frekuensi yang terjadi,
dengan demikian akan diperoleh berapa
nilai yang masih reasonable untuk
digunakan pada sistem ini. Hal ini akan
dipermudah bila telah mendapatkan data
dari percoban ke dua.
Tabel 2. Perbandingan perhitungan
dengan percobaan tanpa beban
Gambar 7. pengukuran di Osciloscope pada kapasitor ke 7
Hasil data tabel 2 diatas
merepresentasikan bahwa sistem yang
dibuat telah sesuai dengan teori yang
ada. Kesalahan-kesalahan yang terjadi
pada sistem ini tidak terlalu signifikan
karena jika dilihat dari persentasi error
yang ada nilainya tidak lebih dari 10%,
dengan nilai demikian dapat
disimpulkan bahwa sistem telah berjalan
hingga dapat membentuk gelombang
resonansi yang diinginkan.
Analisa sistem dengan perubahan
frekuensi dengan beban
Pada pengujian yang kedua ini,
dilakukan pengambilan data frekuensi
yang sama seperti percobaan pertama,
namun ditambahkan sebuah receiver
dimana pada receiver tersebut diberikan
sebuah beban yang berupa lampu pijar
yang memiliki spesifikasi, 12 V/8W.
Sama seperti apa yang dilakukan pada
percobaan pertama percobaan dilakukan
dengan mengubah-ubah nilai kapasitor
yang ada pada transmitter sehingga
perubahan yang terjadi pada percobaan
pertama juga akan sama terjadi pada
percobaan kedua. Namun perbedaan antara
percobaan pertama dan kedua adalah pada
saat pengukuran disini terdapat rangkaian
receiver sebagai pembuktian apakah
memang sistem WPT berjalan.
Dengan adanya receiver pada
percobaan kedua bukan berarti receiver
menjadi tolak ukur untuk pembahasan
dalam analisa ini. Receiver disini hanya
sebagai pelengkap data dari proses analisa
untuk mendapatkan nilai transmit yang
terbaik. Sedangkan untuk pembahasan
receiver akan dibahas pada penulisan yang
lainnya.
Data yang terdapat di tabel 3,
merupakan data yang di dapat dari
percobaan yang dilakukan. Terlihat trend
perubahan yang terjadi pada tabel 3
hampir sama dengan trend pada tabel 1.
Dimana, dengan adanya kenaikan jumlah
kapasitor maka akan terjadi penurunan
pada frekuensi sehingga akan dikatakan
berbanding terbalik dan sebaliknya terjadi
kenaikan pada tegangan atau sebanding
lurus dengan kenaikan tegangan pada
sistem.
Namun, dengan adanya data
tegangan yang diterima pada receiver
maka hasil ini akan dapat membantu untuk
menentukan mana jumlah kapasitor yang
paling optimum untuk transmitter. Dari
data nilai yang paling baik terjadi mulai
pada kapasitor ke 6 dimana tegangan RMS
yang terbaca di Osciloscope sebesar 16,40
Vrms (dengan beban lampu 12V/8w) dan
semakin baik di mana ketika jumlah
kapasitor ke 7 dengan nilai tegangan RMS
21Vrms.
Tabel 3. Data percobaan dengan
beban
Tabel 4. Perbandingan perhitungan
dengan percobaan dengan beban
Gambar 7 Pengukuran pada receiver di
osciloscope pada kapasitor ke 9.
Berdasarkan pengujian yang dilakukan
untuk sebuah perancangan transmitter
pada sistem Wireless Power Transmission
(WPT). Maka didapat sebuah kesimpulan
yang didapat adalah :
1. Sebuah transmisi daya dapat
dilakukan secara nirkabel dengan
mengunakan prinsip resonansi pada
couple magnetic.
2. Rangkaian switching merupakan
rangkaian yang mengubah arus se-
arah menjadi arus bolak balik
dengan frekuensi tertentu.
3. Rangkaian resonansi merupakan
rangkaian yang terdiri dari induktor
dan kapasitor yang tersusun
paralel, sehingga dapat membuat
tegangan dapat terpancar yang
dikarenakan hasil frekuensi
rangkaian resonansi tersebut.
4. Semakin jauh jarak antara receiver
dengan transmitter dapat
mempengaruhi tegangan yang
diterima receiver.
DAFTAR PUSTAKA
Dr David Pottinge, The Possibility Of
WirelesElectricity,2009
<http://stepsandleaps.wordpress.com/2009
/09/15/the-possibility-of-wireless
electricity> .
Budimir Djuradj and Marincic
Aleksandar (2006) , Research Activities
and Future Trends of Microwave Wireless
PowerTransmission,SIXTHINTERNATIONA
L SYMPOSIUM NIKOLA TESLA, Serbia
Estimation of Output Voltage and
Magnetic Flux Density for a Wireless
Charging System with Different Magnetic
Core Properties. Journal of
Magnetics18(2),105-110(2013.
Evaluation of Wireless Resonant
Power Transfer Systems With Human
Electromagnetic Exposure Limits.IEEE
Transaction on Elektromagnetic
compatibility.
Marinic.A.S.”Nikola Tesla The
Wireless Transfer. IEE Transaction of
power energy