BAB II

LANDASAN TEORI

A. Pengertian Pencahayaan

Pencahayaan didefinisikan sebagai jumlah cahaya yang jatuh pada

permukaan. Satuannya adalah lux (1 lm/m2), dimana lm adalah lumens atau lux

cahaya. Salah satu faktor penting dari lingkkungan kerja yang dapat memberikan

kepuasan dan produktivitas adalah adanya penerangan yang baik. Penerangan

yang baik adalah penerangan yang memungkinkan pekerja dapat melihat obyek-

obyek yang dikerjakan secara jelas, cepat dan tanpa upaya-upaya yang tidak

perlu.Penerangan yang cukup dan diatur dengan baik juga akan membantu

menciptakan lingkungan kerja yang nyaman dan menyenangkan sehingga dapat

memelihara kegairahan kerja. Telah kita ketahui hampir semua pelaksanaan

pekerjaan melibatkan fungsi mata, dimana sering kita temui jenis pekerjaan yang

memerlukan tingkat penerangan tertentu agar tenaga kerja dapat dengan jelas

mengamati obyek yang sedang dikerjakan. Intensitas penerangan yang sesuai

dengan jenis pekerjaannnya jelas akan dapat meningkatkan produktivitas kerja

B. Teori Dasar Mengenai Pencahayaan

1. Sifat Gelombang Cahaya

Sumber cahaya memancarkan energi dalam bentuk gelombang yang

merupakan bagian dari kelompok gelombang elektromagnetik. Gambar 2.1

menunjukkan sumber cahaya alam dari matahari yang terdiri dari cahaya tidak

tampak dan cahaya tampak.

Gambar 2.1 Kelompok Gelombang Elektromagnetik

Dari hasil percobaan Isaac Newton, cahaya putih dari matahari dapat

diuraikan dengan prisma kaca dan terdiri dari campuran spektrum dari semua

cahaya pelangi.

Gambar 2.2 Warna-warna Spektrum

Pada gambar 2.2 dapat dilihat bahwa sinar-sinar cahaya yang

meninggalkan prisma dibelokkan dari warna merah hingga ungu. Warna

cahaya ditentukan oleh panjang gelombangnya.

Kecepatan rambat V gelombang elektromagnetik di ruang bebas = 3.

3.105km/det. Jika frekuensi energinya adalah f dan panjang gelombangnya λ

(lambda), maka berlaku :

Panjang gelombang tampak berukuran antara 380mμ sampai dengan

380mμ seperti pada tabel berikut ini.

Tabel 2.1 Panjang Gelombang

Gambar 2.3 menunjukkan gambar grafik energi-panjang gelombang

sebuah lampu pijar 500W.

λ= vf

Gambar 2.4 Energi = Panjang Gelombang = Lampu Pijar 500W

Selain memiliki warna tertentu, setiap panjang gelombang yang

memberi kesamaan intensitas tertentu, dari gambar 2.5 terlihat bahwa mata

manusia paling peka terhadap cahaya dengan λ = 555mμ yang berwarna

kuning-hijau.

Gambar 2.5 Grafik Kepekaan Mata

2. Pandangan Silau

Gambar 2.6 Pandangan Silau

Kalau posisi mata kita seperti gambar diatas, dapat kita rasakan bahwa

kita merasakan pandangan yang menyilaukan karena mata kita mendapatkan :

Cahaya langsung dari lampu listrik, dan

Cahaya tidak langsung / pantulan cahaya dari gambar yang kita

lihat.

Dengan kondisi ini kita tidak dapat melihat sasaran objek gambar

dengan nyaman. Pandangan silau dapat didefinisikan sebagai terang yang

berlebihan pada mata kita karena cahaya langsung atau cahaya pantulan

maupun keduanya. Supaya mata kita bisa melihat sasaran objek dengan

nyaman / jelas, maka diatur sedemikian rupa agar cahaya jatuh pada sasaran

objek dan bukan pada mata kita.

Untuk mencegah terjadinya pandangan silau dipelukan teknik

pemasangan sumber cahaya maupun armaturnya dengan tepat.

3. Satuan-satuan Teknik Pencahayaan

a. Steradian

Gambar 2. 7 Radian

Radian adalah sudut pada titik tengah lingkaran antara dua jari-jari

dimana kedua ujung busurnya jaraknya sama dengan jari-jari tersebut (misal

R = 1cm). Oleh karena keliling lingkaran = 2 πR, maka

Sedangkan steradian adalah sudut ruang pada titik tengah bola antara

jari-jari terhadap batas luar permukaan bola sebesar kuadrat jari-jarinya.

Gambar 2. 8 Steradian

Karena luas permukaan bola adalah 4 πR2, maka di sekitar titik tengah

bola terdapat 4 π sudut ruang yang masing-masing adalah 1 steradian. Jumlah

steradian suatu sudut ruang dinyatakan dengan lambang ω (omega).

1 Radian=360 ˚2 π

=57,3˚

b. Intensitas Cahaya ( Luminous Intensity)

Menurut sejarah, sumber cahaya buatan adalah lilin (candela).

Candela dengan singkatan Cd ini merupakan satuan Intensitas Cahaya (I) dari

sebuah sumber yang memancarkan energi cahaya ke segala arah.

Gambar 2.9 Lilin yang menyinari buku

Keterangan :

I = Intensitas Cahaya (Cd)

F = Fluks cahaya (lumen)

ω= Sudut ruang (steradian)

c. Fluks Cahaya (Luminous Flux)

Adalah jumlah cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya.

Lambang fluks cahaya adalah F atau ∅ dan satuannya dalam lumen (lm).

Satu lumen adalah fluks cahaya yang dipancarkan dalam 1 steradian dari

sebuah sumber cahaya 1 cd pada permukaan bola dengan jari-jari R – 1m.

ω= A

R2(steradian)

I= Fω

(cd )

Gambar 2.10 Fluks Cahaya

Jika fluks cahaya dikatakan dengan daya listrik maka :

“Satu watt cahaya dengan panjang gelombang 555 mμ sama nilainya dengan

680 lumen.”

Jadi dengan λ = 555 mμ, maka 1 watt cahya = 680 lumen.

d. Luminasi (Luminance)

Adalah suatu ukuran terangnya suatu benda baik pada sumber cahaya

maupun pada suatu permukaan. Luminasi yang terlalu besar akan menyilukan

mata (contoh lampu pijar tanpa amatur).

Luminasi suatu sumber cahaya dan suatu permukaan yang

memantulkan cahayanya adalah intensitasnya dibagi dengan luas semua

permukaan. Sedangkan luas semua permukaan adalah luas proyeksi sumber

cahaya pada suatu bidang rata yang tegak lurus pada arah pandang, jadi bukan

permukaan seluruhnya.

keterangan :

L = Luminasi (cd /m2 ¿

I = Intensitas (cd)

As = Luas semua permukaan (m¿¿2)¿

e. Iluminasi (Iluminance)

Iluminasi sering disebut juga intensitas penerangan atau kekuatan

penerangan atau dalam BSN disebut Tingkat Pencahayaan pada suatu bidang

adalah fluks cahaya yang menyinari permukaan suatu bidang.

Lambang Iluminasi adalah E dengan satuan lux (lx).

Keterangan :

L= 1As

(cd /m2)

E=FA

(lux)

E =Iluminasi/Intensitas penerangan/

kekuatan penerangan/tingkat

pencahayaan (lux)

F = fluks cahaya (lumen)

A = luas permukaan bidang

(m¿¿2)¿

Gamabar 2.11 Iluminasi

f. Efikasi

Adalah rentang angka perbandingan antara fluks cahaya (lumen)

dengan daya listrik suatu sumber cahaya (watt), dalam satuan lumen/watt.

Efikasi juga disebut fluks cahaya spesifik.

Tabel berikut ini menunjukkan efikasi dari macam-macam lampu.

Efikasi ini biasanya didapat pada data katalog dari suatu produk lampu

Tabel 2.2 Daftar Efikasi Lampu

4. Hukum Penerangan

Satuan-satuan penting yang digunakan dalam teknik penerangan antara

lain :

Sudut ruang W Steradian (Sr)

Intensitas cahaya I Candela (cd)

Fluks cahaya F(ϕ) lumen (Lm)

Iluminasi E Lux (lx)

a. Hukum Kwadrat Terbalik

Pada umumnya bidang yang diterangi bukan permukaan bola,

tetapi bidang datar.

Gambar 2.12 Hukum kebalikan kuadrat Iluminasi

Tabel 2.3 Perhitungan Intensitas Penerangan

Cahaya dari sumber 1 cd yang menyinari bidang x (seluas 1 m2)

yang berjarak 1 m akan mengiluminasi 1 lux. Jika kemudian jarak tersebut

dikalikan dua (ke bidang Z), maka iluminasi 1 lux tadi akan menyinari

bidang seluas 4m2. Jadi iluminasi dari suatu permukaan akan mengikuti

hukum kebalikan kwadrat yaitu :

keterangan :

E = Iluminasi (lux)

I = Intensitas penerangan (cd)

r = Jarak dari sumber cahaya ke bidang (m)

b. Hukum cosinus

E= I

r 2

Gambar 2.13 Kurva Cosinus

Sesuai dengan hukum kebalikan kwadrat iluminasi, maka :

Pada titik A :

EA=I

h2

Pada titik B :

EB'= I

r2

Jadi Iluminasi pada titik B :

EB=EB' . cos α

EB=I

r2. cosα

Juka letak titik sumber cahaya diatas bidang = h, maka

r= hcos α

Sehingga

EB=I

( hcos α

)2. cos2 α

Dan secara umum dapat ditulis

EB=I

h2. cos2α

C. Beban Listrik

Menurut sifatnya, beban listrik terdiri dari :

1. Resistor (R) bersifat resistif,

2. Induktor (L) yang bersifat induktif,

3. Capasitor (C) yang bersifat capasitif.

Beban listrik adalah piranti / peralatan yang menggunakan /

mengkonsumsi energi listrik. Jenis beban listrik secara garis besar adalah

sebagai berikut :

1. Untuk penerangan dengan lampu-lampu pijar, pemanas listrik yang

bersifat resistif.

2. Untuk peralatan yang menggunakan motor-motor listrik (pompa air, alat

pendingin/AC/Freezer/kulkas, peralatan laboratorium), penerangan

dengan lampu tabung yang menggunakan balast/trafo bersifat induktif

(lampu TL, sodium, merkuri, komputer, TV, dll).

Jika beban resitif diaktifkan (dinyalakan), maka arus litrik pada beban ini

segera mengalir dengan cepatnya sampai pada nilai tertentu (sebesar nilai arus

nominal beban) dan dengan nilai yang tetap hingga tidak diaktifkan (dimatikan).

Lain halnya dengan beban induktif, misalnya pada motor listrik. Begitu

motor diaktifkan (digerakkan), maka saat awal (start) menarik arus listrik yang

lebih besar )3 sampai 5 kali arus nominal), kemudian turun kembali ke arus

nominal.

Sumber : Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik (hal 53)

Gambar 2.14 Rangkaian macam-macam Beban Sistem 3 fasa, 4 kawat

Jenis beban listrik dalam gedung/bangunan dapat dikelompokkan

menjadi:

1. Penerangan (lighting)

2. Stop kontak

3. Motor-motor listrik

D. Jenis Lampu

1. Lampu TL / lampu Neon

Lampu TL (Fluorescent Lamp) adalah lampu listrik yang

memanfaatkan gas NEON dan lapisan Fluorescent sebagai pemendar cahaya

pada saat dialiri arus listrik. Tabung lampu TL ini diisi oleh semacam gas

yang pada saat elektrodanya mendapat tegangan tinggi gas ini akan terionisasi

sehingga menyebabkan elektron-elektron pada gas tersebut bergerak dan

memendarkan lapisan fluorescent pada lapisan tabung lampu TL.

a. Karakteristik Lampu TL

Karakteristik dari lampu TL ini, adalah mampu menghasilkan

cahaya output per watt daya yang digunakan lebih tinggi daripada lampu

bolam biasa (incandescent lamp).

Sumber : http://elektronika-dasar.web.id/

Gambar 2.15 Karakteristik Lampu TL

Sebagai contoh, sebuah penelitian menunjukkan bahwa 32 watt

lampu TL akan mengjasilkan cahaya sebesar 1700 lumens pada jarak 1

meter sedangkan 75 watt lampu bolam biasa (lampu bolam dengan

filamen tungsten) menghasilkan 1200 lumens. Atau dengan kata lain

perbandingan effisiensi lampu TL dan lampu bolam adalah 53 : 16.

Efisiensi disini didefinisikan sebagai intensitas cahaya yang dihasilkan

dibagi dengan daya listrik yang digunakan

b. Prinsip Kerja Lampu TL

Ketika tegangan AC 220 volt di hubungkan ke satu set lampu TL

maka tegangan diujung-ujung starter sudah cukup utuk menyebabkan gas

neon didalam tabung starter untuk panas (terionisasi) sehingga

menyebabkan starter yang kondisi normalnya adalah normally open ini

akan ‘closed’ sehingga gas neon di dalamnya dingin (deionisasi) dan

dalam kondisi starter ‘closed’ ini terdapat aliran arus yang memanaskan

filamen tabung lampu TL sehingga gas yang terdapat didalam tabung

lampu TL ini terionisasi.

Pada saat gas neon di dalam tabung starter sudah cukup dingin

maka bimetal di dalam tabung starter tersebut akan ‘open’ kembali

sehingga ballast akan menghasilkan spike tegangan tinggi yang akan

menyebabkan terdapat lompatan elektron dari kedua elektroda dan

memendarkan lapisan fluorescent pada tabung lampu TL tersebut.

Perstiwa ini akan berulang ketika gas di dalam tabung lampu TL

tidak terionisasi penuh sehingga tidak terdapat cukup arus yang melewati

filamen lampu neon tersebut. Lampu neon akan tampak berkedip. Selain

itu jika tegangang induksi dari ballast tidak cukup besar maka walaupun

tabung neon TL tersebut sudah terionisasi penuh tetap tidak akan

menyebabkan lompatan elektron dari salah satu elektroda tersebut.

Besarnya tegangan spike yang dihasilkan oleh trafo ballast dapat

ditentukan oleh rumus berikut :

V=Ldidt

Jika proses ‘starting up’ yang pertama tidak berhasil maka

tegangan diujung-ujung starter akan cukup untuk menyebabkan gas neon

di dalamnya untuk terionisasi (panas) sehingga starter ‘closed’. Dan

seterusnya sampai lampu TL ini masuk pada kondisi steady state yaitu

pada saat impedansinya turun menjadi ratusan ohm . Impedansi dari

tabung akan turun dari dari ratusan megaohm menjadi ratusan ohm saja

pada saat kondisi ‘steady state’. Arus yang ditarik oleh lampu TL

tergantung dari impedansi trafo ballast seri dengan impedansi tabung

lampu TL.

Selain itu karena tidak ada sinkronisasi dengan tegangan input

maka ada kemungkinan pada saat starter berubah kondisi dari ‘closed’ ke

‘open’ terjadi pada saat tegangan AC turun mendekati nol sehingga

tegangan yang dihasilkan oleh ballast tidak cukup untuk menyebabkan

lompatan elektron pada tabung lampu TL.

2. Lampu LED

Lampu LED merupakan lampu terbaru yang merupakan sumber

cahaya yang efisien energinya. Ketika lampu LED memancarkan cahaya

nampak pada gelombang spektrum yang sangat sempit, mereka dapat

memproduksi “cahaya putih”. Hal ini sesuai dengan kesatuan susunan merah-

biru-hijau atau lampu LED biru berlapis fosfor. Lampu LED bertahan dari

40.000 hingga 100.000 jam tergantung pada warna. Lampu LED digunakan

untuk banyak penerapan pencahayaan seperti tanda keluar, sinya lalu lintas,

cahaya dibawah lemari, dan berbagai penerapan dekoratif.

Teknologi lampu LED sangat cepat mengalami kemajuan dan

menjanjikan untuk masa depan. Pada cahaya sinyal lalu lintas, pasar yang

kuat untuk lampu LED, sinyal lalu lintas warna merah menggunakan lampu

10W yang setara dengan 196 LEDs, menggantikan lampu pijar yang

menggunakan 150W. Berbagai perkiraan potensi penghematan energi

berkisar dari 82% hingga 93%. Produk pengganti LED, diproduksi dalam

berbagai bentuk termasuk batang ringan, panel dan sekrup dalam lampu LED,

biasanya memiliki kekuatan 2-5W masing-masing, memberikan penghematan

yang cukupberarti dibandingkan lampu pijar dengan bonus keuntungan masa

pakai yang lebih lama, yang pada gilirannya mengurangi perawatan.

Lampu LED, menggunakan Light Emitting Diode sebagai sumber

cahaya. Beberapa keunggulan lampu LED:

Efisiensi yang tinggi: 100 lumen/ Watt.

Kecil

Ketahanan tinggi, tidak mudah pecah.

Daya tahan + 50.000 jam

Bebas Mercury ataupun Halogen, tidak seperti lampu fluorescent

ataupun lampu halogen - HID.Lampu LED adalah lampu solid-state yang menggunakan light-emitting

diode (LED) sebagai sumber cahaya, berumur lebih panjang danmemberikan

efisiensi energi yang tinggi. Teknologi lampu LED berbeda dari teknologi

sebelumnya seperti lampu pijar atau lampu neon lainnya seperti Compact

Fluorescent Light(CFL) atau Tube Lght(TL).

 Terdapat 3 jenis penghematan energy yang diberikan oleh teknologi

LED:

a. Pemancar cahaya per watt yang lebih tinggi 

Lebih tingginya pemancaran cahaya per watt yang diberikan oleh

LED menjadikannya lebih efisien dibanding CFL. Teknologi LED telah

mendapat perhatian dalam perkembangannya. Saat ini, prototype LED yang

lebih tinggi dari 150 lumen/watt telah di demonstrasikan dan dikembangkan

untuk produksi massal.  

Gambar 2.16

b. Penyinaran langsung / penyinaran utuh

Lampu LED memancarkan seluruh cahayanya dalam satu arah

sehingga tidak terjadi inefisiensi seperti pada CFL maupun TL. Hal ini tentu

menghasilkan penghematan energi yang signifikan. Perbandingannya,

lampu LED mampu menghemat hingga 50% energi dibandingkan CFL dan

TL, dan menghemat sampai 90% energi dibandingkan lampu pijar dan

halogen.

c. Pengurangan beban pendingin ruangan

LED tidak memancarkan radiasi panas infra merah. Pengkonsumsian

daya nya yang rendah menghasilkan panas yang rendah pula. Oleh karena

itu LED dapat membantu penghematan energy dalam mengurangi beban

pendingin ruangan (AC).

Gambar 2.17

E. Perbandingan lampu berbasis LED dengan lampu lainnya

Tabel 2. 4 Perbandingan antara Lampu pijar, CFL, LED

  Lampu pijar CFL

Daya listrik

(Dengan terang yang sama)60 Watt 18 Watt

Persentase energi yang berubah menjadi cahaya 10-20 % 70-80 %

Katahanan fisik Mudah pecah Mudah pecah

Radiasi Inframerah Ultraviolet

Bahan berbahaya Tidak ada Merkuri

Masa hidup lampu 1000 jam 5000 jam

Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai performa <1 menit 5 menit

  Lampu pijar CFL

optimal