Analisis Pengaruh Penyetelan Frekuensi, Kapasitansi Primer Dan Lebar Celah Udara Terhadap Operasi Kerja Kumparan Tesla 9 kv

Analisis Pengaruh Penyetelan Frekuensi, Kapasitansi Primer Dan Lebar Celah Udara Terhadap Operasi Kerja Kumparan Tesla 9 kV Lazuardi Imami Abduh 1, Prof.Dr.Ir.Iwa Garniwa M.K,M.T 2 Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok 16424 Tel: (021) 78888805. Fax: (021) 78885656 Email: 1 [email protected],2 [email protected]

Abstrak Transmisi kabel yang digunakan saat ini telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Akan tetapi perkembangan tersebut menyebabkan sistem transmisi kabel memiliki banyak kendala dan permasalahan di masa mendatang. Transmisi nirkabel yang menggunakan gelombang elektromagnetik untuk melakukan transfer energi mampu menjawab permasalahan-permasalahan sistem transmisi kabel tersebut. Salah satu jenis transmisi energi nirkabel sederhana adalah kumparan tesla yang mampu menghasilkan energi yang berlipat ganda. Berdasarkan kemampuannya untuk mengatasi permasalahan transmisi kabel tersebut sehingga dibutuhkan suatu penelitian dan pemahaman terhadap operasi kerja kumparan tesla melalui perubahan parameter-parameter khususnya penyetelan frekuensi, perubahan kapasitansi primer dan lebar celah udara demi memahami sistem transmisi masa depan.

Analysis of Frequency Tuning, Primary Capacitance and Spark Gap Length Effects to 9 kV Tesla Coil Operation Abstract Wire power transmission which we are using today is growing rapidly. However, the system development has shown us that wire transmission systems will have many constraints and problems in the future. Wireless power transmission which uses electromagnetic waves to transfer energy, can provides the solutions to these wire transmission problems. One simple type of wireless energy transmission is a Tesla Coil that can transmit power with high frequency and overunity gain. Based on its ability to overcome the wire transmission problems, makes it urgent for further research about its characteristics and parameters effect especially frequency tuning, primary capacitance and spark gap length to the Tesla Coil operation to give us an understanding about our future transmission system.

. Keywords: Wireless Transmission, Tesla Coil, Frequency Tuning, Primary Capacitance, Spark Gap. Pendahuluan Dewasa ini, sistem transmisi kabel yang digunakan telah mengalami banyak perkembangan yang cukup pesat dan selaras dengan perkembangan sistem tenaga listrik di Indonesia. Transmisi menggunakan media kabel, saat ini mengalami proses perkembangan dari segi pemakaian dan juga penggunaan media hantarnya yang semakin efisien. Akan tetapi,

Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014

semakin maju perkembangan zaman dan penggunaannya, transfer energi menggunakan media kabel ini mulai menemui beberapa kendala, antara lain :

1. Rugi-rugi daya yang cukup besar yang muncul saat proses penghantaran 2. Tegangan jatuh yang dihasilkan saat proses transmisi 3. Banyaknya gangguan-gangguan kabel dan kawat yang ditemukan 4. Kerumitan penggunaan transmisi kabel yang semakin banyak dan kompleks 5. Pembebasan dan perusakan lahan yang semakin banyak akibat pembangunan menaramenara transmisi

Kendala-kendala transmisi kabel yang sudah dipaparkan ini dapat diatasi salah satunya adalah dengan penggunaan transmisi daya nirkabel dengan menggunakan gelombang elektromagnetik seperti kumparan tesla. Kumparan tesla merupakan suatu rangkaian yang dapat menghasilkan tegangan yang tinggi, arus yang rendah dan frekuensi yang tinggi agar mampu melakukan proses transfer energi dari suatu pemancar yang disebut bagian primer menuju suatu penerima yang disebut dengan bagian sekunder. Kumparan tesla ini mampu menghasilkan impuls “longitudinal” dan dapat mentransmisikan daya dan informasi yang dapat menembus bahan-bahan padatan logam (kandang Faraday), yang melalui jarak yang cukup panjang tanpa adanya penurunan intensitas dan mampu menghasilkan gain energi yang “overunity”. Sifat-sifat yang dimiliki kumparan tesla tersebut seakan mampu menjawab kendala-kendala yang dihadapi yang ditemukan pada penggunaan transmisi energi kabel sehingga dibutuhkan suatu pemahaman khusus pada operasi kerja kumparan tesla beserta parameter-parameter yang memengaruhinya. Sehingga pada penelitian ini akan dilakukan variasi terhadap parameterparameter yang ada pada kumparan tesla khususnya penyetelan frekuensi, kapasitansi primer dan lebar celah udara dengan tujuan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap operasi kerja kumparan tesla. Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat memberikan suatu pemahaman terhadap karakteristik kerja dari sistem transmisi daya masa depan.

Tinjauan Teoritis Kumparan tesla merupakan sebuah rangkaian resonant transformer yang ditemukan oleh Nikola Tesla pada tahun 1891. Kumparan tesla ini mampu menghasilkan output dengan


karakteristik : tegangan yang tinggi, arus yang lemah, namun dengan frekuensi tinggi. Karakteristik kerjanya hampir mirip seperti trafo hanya saja kumparan tesla menggunakan udara sebagai inti trafonya sehingga kopling antara kumparan primer dan sekunder dari tesla kumparan jauh lebih renggang dibandingkan dengan trafo biasa yang kopling primer dan sekundernya sangat tinggi dengan menggunakan bahan ferromagnetik atau inti besi. Kopling yang sangat kuat pada trafo biasa menyebabkan nilai frekuensi output yang dihasilkan oleh kumparan output bernilai sama seperti halnya frekuensi input, namun bila kopling yang digunakan bersifat lemah, maka akan terjadi suatu efek resonansi yang dapat menyebabkan nilai frekuensi output mengalami peningkatan atau kelipatan yang cukup besar dibandingkan dengan frekuensi inputnya. Kumparan tesla pada umumnya memiliki komponen-komponen berikut ini :  Trafo suplai tegangan tinggi (NST) : Berfungsi untuk menyuplai tegangan tinggi pada kumparan tesla  Celah udara: Sebagai bagian saklar tegangan tinggi. Celah udara memengaruhi beberapa parameter dari kumparan tesla, antara lain : a. Kuat medan listrik : merupakan besarnya nilai medan listrik yang muncul saat terjadinya kondisi kegagalan isolasi udara. Hal ini dipengaruhi oleh tekanan atmosfir dan sifat udara itu sendiri b. Tegangan busur api pada celah udara : merupakan besarnya potensi tegangan yang mungkin muncul saat terjadinya proses konduksi pada celah udara. Proses konduksi yang dimaksudkan adalah, isolasi udara di antara kedua elektroda telah mengalami kegagalan sehingga mampu menghasilkan busur api dan menyebabkan kedua elektroda terhubung secara elektris. c. Tegangan per unit : merupakan nilai tegangan yang muncul pada celah udara dibagi dengan unit lebar celah udara yang digunakan. Tegangan per unit ini memiliki dimensi yang sama dengan medan listrik. Hanya saja tegangan per unit hanya terfokus pada tegangan yang muncul di celah udara dan lebar celah udara yang digunakan tanpa memedulikan besarnya nilai tekanan udara dan koefisien ionisasi sekunder. d. Waktu terjadinya lompatan api : merupakan lamanya waktu yang dibutuhkan dari kondisi penyuplaian tegangan pada kapasitor primer hingga mencapai kondisi timbulnya busur api di antara kedua elektroda.


e. Kegagalan isolasi yang terjadi setiap detik : merupakan banyaknya kejadian dimana isolasi udara di antara kedua elektroda ditembus dalam satu detik. Kegagalan isolasi per detik mengikuti persamaan :

(1) Dengan : BPS = Banyaknya kegagalan isolasi per detik (Break per second) (s-1) N

= Jumlah kegagalan isolasi udara yang terjadi

t

= waktu yang dibutuhkan untuk kegagalan isolasi yang terjadi (s)

f. Daya yang timbul pada celah udara : merupakan banyaknya daya yang yang dikirim menuju celah udara. Parameter ini didefinisikan lebih jauh pada persamaan :

(2)

Dimana : Pgap

= Besar daya yang muncul pada celah udara (Watt)

Ep

= Besar nilai energi pada kapasitor primer (Joule)

BPS

= Kegagalan isolasi per detik (Break per second) (s-1)

g. Panjang lompatan api yang dihasilkan : merupakan panjang dari lompatan api yang terbentuk pada celah udara saat kegagalan isolasi udara terjadi. Parameter ini dipengaruhi oleh kemampuan suplai trafo, energi efektif yang tersimpan pada kapasitor dan banyaknya kegagalan yang didefinisikan dalam persamaan John Freau[10]: (√

√

)

Dimana : = Panjang lompatan api yang dihasilkan oleh celah udara (cm) = Besar daya input dari trafo suplai (W) = Energi efektif kapasitor (Joule)


(3)

= Kegagalan per satuan detik (s-1)  Kapasitor primer : berfungsi untuk melakukan penyimpanan dan pelepasan energi dalam bentuk muatan listrik pada kumparan tesla. Besarnya nilai energi yang mampu disimpan mengikuti persamaan :

(4) Dimana : = Energi yang mampu disimpan oleh kapasitor primer (J) = Nilai kapasitansi dari kapasitor primer (F) = Tegangan yang muncul pada kapasitor primer (V)

Kapasitor primer bersama kumparan sekunder menghasilkan frekuensi kerja dari kumparan tesla sesuai dengan persamaan : (5) √ Dimana : f

= frekuensi sistem (Hz)

Lp

= Nilai Induktansi kumparan primer (H)

Cp

= Nilai kapasitansi kapasitor primer (F)

 Kumparan primer : Berfungsi untuk menyimpan energi dalam bentuk medan magnet. Sehingga bila kapasitor primer menyimpan energi dalam gelombang listrik dan kumparan primer menyimpan energi dalam gelombang magnetik, maka akan dihasilkan suatu energi gelombang elektromagnetik.  Kumparan sekunder : Berfungsi untuk menerima gelombang energi magnetik dari bagian primer.  Toroida : Berfungsi sebagai kapasitor pada bagian sekunder yang berfungsi untuk menerima gelombang energi listrik dari bagian primer.  Kapasitor PFC : Kapasitor yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya pada kumparan tesla.


 Filter jaringan : Berfungsi untuk mengamankan jaringan utama bila terjadi abnormalitas dari kumparan tesla  Pengawatan : Berfungsi untuk membentuk sambungan listrik pada kumparan tesla.  Pentanahan : Sebagai pengaman apabila terjadi hubung singkat dan arus berlebih.

Metode Pengujian Penelitian akan dilakukan dengan terlebih dahulu seberapa besar spesifikasi yang dibutuhkan pada kumparan tesla dengan menggunakan trafo suplai yang telah ditentukan yang selanjutnya akan dimasukkan pada simulasi javaTC sebagai proses perancangan. JavaTC atau Java Tesla Kumparan merupakan program tak berbayar yang dibuat oleh Barton B. Anderson yang berfungsi untuk mengetahui spesifikasi-spesifikasi yang dibutuhkan dalam proses perancangan kumparan tesla agar mendapatkan operasi kerja yang optimal sekaligus mampu mengetahui pengaruh perubahan nilai parameter-parameter yang ada pada kumparan tesla terhadap operasi kerja kumparan tesla yang berlandaskan penelitian, jurnal-jurnal dan artikel ilmiah mengenai kumparan tesla, tegangan dan arus tinggi yang sudah teruji kevalidan data dan penelitian yang dilakukannya seperti penelitian Jim Lux, John Freau, Richard Burnett, Bert Hickman dan masih banyak lagi. Program javaTC ini dapat diakses secara online melalui alamat http://www.classictesla.com/java/javatc/javatc.html. Selanjutnya setelah proses simulasi untuk melakukan perancangan telah dilakukan, penelitian yang akan dilakukan berikutnya adalah seputar perencanaan pembangunan koil tesla yang selanjutnya akan dilakukan pengujian pada Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik (LTTPL), lantai 1, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dalam penelitian ini dilakukan beberapa metode, yaitu dengan studi literatur, berlanjut ke pengumpulan informasi, berlanjut ke pengujian dan terakhir adalah analisis. Diagram alir dari proses rancang bangun yang dilakukan dalam skripsi ini adalah seperti pada gambar 2.


Gambar 1 Diagram alir metode penelitian

1.

Mengumpulkan material yang telah tertera pada bagian alat dan bahan rancang bangun Pada tahap ini, material-material yang telah tertera pada bagian alat dan bahan dikumpulkan dan dilakukan pengecekan apakah bahan-bahan tersebut memiliki kondisi yang baik untuk digunakan dalam membentuk rangkaian koil tesla.

2.

Merancang kumparan sekunder Merancang kumparan sekunder dilakukan dengan melilitkan kabel tembaga pada pipa PVC yang selanjutnya diketanahkan. Pada tahap ini, dipasang juga toroida pada bagian atas kumparan sekunder sehingga lilitan tembaga dan toroida akan membentuk rangkaian resonansi sekunder.

3.

Mempersiapkan alas dan bahan dasar kumparan primer Pada tahap ini dirancang bagian alas tempat untuk meletakkan kumparan primer dan menegakkan kumparan sekunder. Bagian dasar atau alas koil tesla ini merupakan bagian


yang sangat penting karena pada bagian inilah hubungan kabel antara kumparan primer dengan trafo tegangan tinggi dan kapasitor primer diletakkan. 4.

Merancang kumparan primer Merancang kumparan primer dilakukan dengan memutarkan tabung tembaga diameter kecil beberapa sentimeter (cm) dari kumparan primer. Perputaran tabung tembaga ini dilakukan di atas bagian alas yang sudah dibentuk sebelumnya. Pada tahap ini dilakukan juga penyambungan antara kumparan primer dengan kapasitor primer (kapasitor SWC) sehingga kedua bagian tersebut akan membentuk rangkaian resonansi primer. Selanjutnya bagian kapasitor primer ini akan disambungkan dengan spark gap sebagai saklar tegangan tinggi.

5.

Menyatukan bagian primer dan sekunder Penyatuan bagian primer dan sekunder dilakukan dengan meletakkan kumparan sekunder di tengah-tengah bagian alas yang terbuat dari tripleks dan kayu. Selanjutnya kumparan primer yang sudah dihubungkan dengan kapasitor SWC akan diletakkan melingkari kumparan sekunder beberapa sentimeter. Pada tahap ini bagian inti dari koil tesla telah terbentuk.

6.

Menghubungkan koil tesla dengan transformator NST dan spark gap Penyambungan koil tesla dengan transformator NST dilakukan pada kumparan primer sehingga tegangan, arus dan daya yang diatur oleh trafo akan menjadi tegangan,arus dan daya input dari koil tesla.

7.

Memberikan proteksi pada rangkaian koil tesla Proteksi dilakukan untuk mencegah terjadinya gangguan yang dapat merusak jaringan listrik dari gedung-gedung dan perumahan. Proteksi ini dapat dilakukan dengan menghubungkan koil tesla dengan pemutus tegangan (PMT) sehingga saat terjadi abnormalitas parameter pada koil tesla tidak mengganggu keseluruhan sistem kelistrikan perumahan dan tidak mencelakakan pengguna dan mahluk hidup sekitar jaringan.

8.

Menyambungkan koil tesla dengan suplai jala-jala Setelah bagian inti koil tesla, penyambungan trafo tegangan tinggi, dan proteksi koil telah diselesaikan, barulah tahap penyambungan suplai jala-jala sebagai suplai utama dengan koil tesla dilakukan. Pada tahap ini, suplai dari jala-jala akan mengalir menuju transformator NST yang selanjutnya parameter-parameter yang berkenaan (tegangan dan


arus) dengan penggunaan koil tesla akan diatur sedemikian rupa sehingga sesuai dengan kebutuhan dari rangkaian. 9.

Evaluasi rangkaian Setelah suplai utama menyuplai rangkaian koil tesla, dilakukan pengukuran dan evaluasi atas hasil dari parameter-parameter koil tesla. Bila nilai parameter-parameter yang muncul memiliki nilai yang jauh dari perencanaan maka perlu dilakukan evaluasi terhadap kualitas dan konfigurasi komponen-komponen koil tesla demi menjamin kualitas yang baik yang sesuai dengan harapan dan perencanaan penelitian. Parameter yang sesuai dengan perencanaan akan memengaruhi nilai keluaran koil tesla yang selanjutnya akan digunakan untuk melakukan berbagai macam variasi percobaan dan pengukuran sehingga nilai keluaran yang dihasilkan dari berbagai variasi akan memiliki pola tertentu yang dapat digunakan untuk proses analisis dan membentuk suatu kesimpulan percobaan.

Peralatan Pengujian 1. Trafo penghasil tegangan tinggi : NST (Neon Sign Transformer) dengan kapasitas 9 kV 30mA 2. Kumparan sekunder: a. Pipa Polivinil Klorida (PVC) dengan diameter 1.5 inci dan panjang 150 cm b. Tembaga 24 AWG sepanjang 90 meter c. Cairan pelapis enamel d. Kepala penutup pipa PVC 1.5 inci berjumlah dua buah 3. Toroid a. Pipa alumunium (alumunium duct) b. Piring berbahan plastik c. Baut dan mur 4. Bagian dasar kumparan a. Beberapa tripleks dan macam-macam kayu b. Baut, mur dan ring 5. Kumparan primer : Kabel AWG 13 sepanjang 15 meter 6. Kapasitor primer : 9 kapasitor SWC (Salt Water Capacitor) yang terbuat dari botol kaca yang dilapisi pelekat alumunium dan diisi dengan air garam


7. Celah udara : Celah udara yang terbuat dari dua konduktor logam yang dipisahkan secara sejajar

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)


(g) Gambar 2 (a) Trafo NST (b) Kapasitor Air Garam (c) Kumparan Primer (d) Celah Udara (e) Kumparan Sekunder (f) Toroida (g) Kumparan Tesla Hasil Rancang Bangun Rangkaian Rancang Bangun

Gambar 3 Rangkaian rancang bangun kumparan tesla Penelitian yang dilakukan dikhususkan pada beberapa perubahan parameter saja antara lain :

a. Melakukan perubahan penyetelan frekuensi melalui proses auto-tune b. Melakukan perubahan lebar celah udara Perubahan lebar celah udara, divariasikan pada jarak : 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm dan 5 mm


c. Melakukan perubahan pada besar kapasitansi primer yang digunakan Perubahan kapasitansi primer yang dengan lebar celah 0.3 cm dan menggunakan kapasitor SWC dengan rating 0.353 nF per botol, divariasikan sebagai berikut : 

3 botol SWC (1.059 nF)













d. Mengamati bentuk tegangan dan arus pada sisi sekunder.

Setelah proses variasi dilakukan, selanjutnya program javaTC akan dijalankan untuk melakukan pengambilan data simulasi.

Hasil Penelitian dan Pembahasan Berdasarkan hasil simulasi javaTC, didapatkan hasil sebagai berikut : 1. Perubahan akibat penyetelan frekuensi Tabel 1 Perbandingan Parameter Sebelum Dan Sesudah Auto-Tune Perubahan parameter

Sebelum di tuned

Setelah di tuned

Primary coil – Radius max.

27

26.244

Primary coil – Turns

16

15.4504

Primary resonant frequency (kHz)

337.08

352.33

Percent frequency is detuned

4.33 % high

0%

Primary inductance (μH)

70.171

64.296

Mutual inductance (μH)

102.436

99.176

Coupling coefficient

0.121

0.123

Energy transfer

8.26

8.13

Total energy transfer time (μs)

12.15

11.43


Proses auto-tune merupakan proses dimana frekuensi rangkaian primer “disetel” secara otomatis agar menghasilkan nilai yang sama dengan frekuensi sekunder. Hal ini dilakukan dengan mengubah panjang dan jumlah lilitan kumparan primer karena parameter tersebut dapat mengubah nilai induktansi rangkaian primer dan dapat memengaruhi frekuensi bagian primer seperti yang dijelaskan dalam persamaan (5). Oleh karena itulah kedua parameter tersebut mengalami perubahan dan penyesuaian. Proses auto-tune menyesuaikan frekuensi resonansi di primer agar mendekati nilai frekuensi resonansi sekunder sehingga setelah di auto-tune, nilai frekuensi resonansi kedua bagian memiliki nilai yang sama ini menyebabkan percent frequency detuned nya bernilai 0 %. Induktansi primer merupakan nilai induktansi kumparan primer yang digunakan pada rangkaian karena untuk menaikkan nilai frekuensi resonansi primer pada rangkaian dibutuhkan nilai induktansi primer yang semakin kecil hal ini menyebabkan induktansi primer mengalami kenaikan. Induktansi primer yang semakin bertambah ini akan memengaruhi besarnya nilai fluks-fluks magnetik yang masuk dari bagian primer ke sekunder sehingga menyebabkan nilai induktansi bersamanya mengalami kenaikan. Sedangkan Coupling coefficient atau koefisien kopling merupakan koefisien yang menggambarkan hubungan magnetis antara suatu kumparan dengan kumparan lain yang nilainya berbanding terbalik dengan induktansi primer. Energy transfer merupakan besar nilai energi yang dikirim dari kumparan primer ke sekunder pada setengah siklus gelombang pertama. Seperti yang sudah dijabarkan, energi yang ditransfer dari primer ke sekunder berasal dari komponen penyimpan energi seperti kapasitor dan induktor. Jika komponen kapasitor primer yang digunakan tetap, tetapi komponen induktor primer yang digunakan memiliki nilai induktansi yang bertambah kecil, maka besarnya energi yang ditransfer dari primer ke sekunder pun akan mengalami penurunan. Total energy transfer time merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirim energi dari primer ke sekunder. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mengirim sekumpulan energi dari primer ke sekunder dipengaruhi oleh kemampuan transfer komponen yang digunakan dan besarnya energi yang akan ditransfer. Jika kemampuan transfer dari komponen tidak mengalami perubahan yang signifikan tetapi besarnya


energi yang dikirim semakin besar, maka lamanya waktu pengiriman energi dari bagian primer dan sekunder pun akan mengalami kenaikan

Lebar Celah Udara vs Energi Efektif Kapasitor

Tegangan Terminal (V)

250000

0,4

0,37

0,3

y = 0,086x - 0,072 R² = 0,9898

0,2

0,27

100000

0,09 0

1

2

3

4

194106

y = 34478x + 25503 R² = 0,9953

150000

0,03

0

Lebar Celah Udara vs Tegangan Terminal

200000

0,17

0,1

132866

96935

50000

165013

55757

0

0

5

1

2

3

4

Lebar Celah Udara (mm)


(a)

(b) Lebar Celah Udara vs Daya Pada Celah Udara

Daya Celah Udara (W)

Energi Efektif Kapasitor (Joule)

2. Perubahan akibat variasi lebar celah udara

250 200 150 100 50 0

y = 34,4x + 25,8 R² = 0,9953

1

133

97

56 0

165 194

2

3

4

5


(c) Gambar 4 (a) Lebar Celah Udara vs Energi Efektif Kapasitor (b) Lebar Celah Udara vs Tegangan Terminal (c) Lebar Celah Udara vs Daya Pada Celah Udara Effective capacitor energy merupakan energi yang muncul pada kapasitor primer saat kondisi celah udara terkonduksi. Energi kapasitor ini dipengaruhi oleh parameter tegangan yang dihasilkan pada celah udara karena besarnya energi yang dikeluarkan oleh kapasitor berbanding lurus dengan kuadrat tegangan dimana pada kasus ini, tegangan yang dimaksud merupakan nilai tegangan yang dihasilkan oleh celah udara.


5

Semakin besar tegangan yang dihasilkan pada celah udara, maka akan semakin besar pula energi yang dibutuhkan dan dikirim dari kapasitor primer. Terminal voltage merupakan besarnya nilai tegangan yang dihasilkan pada toroida di bagian sekunder. Besarnya nilai tegangan toroida ini dipengaruhi oleh besarnya nilai tegangan puncak sebagai saat seluruh energi disimpan dalam kapasitansi resonator (kapasitansi saat terjadi nilai frekuensi resonansi primer yang sama dengan sekunder). Tegangan pada toroida ini berbanding lurus dengan tegangan puncak kapasitor primer atau dalam kasus ini tegangan busur api sehingga semakin besar tegangan busur api maka semakin besar pula tegangan yang muncul pada toroida. Power delivered to gap merupakan besarnya daya yang dikirim menuju celah udara. Parameter ini juga menyatakan besarnya nilai daya yang dapat muncul pada celah udara yang berfungsi sebagai satuan daya yang akan dikirim dari celah udara menuju kumparan. Parameter daya yang terkirim menuju celah udara ini dipengaruhi oleh besarnya energi kapasitor dan banyaknya lompatan api yang terjadi pada celah udara semakin banyak kegagalan yang terjadi dan semakin besar nilai energi yang dilepaskan kapasitor maka akan semakin besar pula daya yang muncul pada celah udara. Hal ini diakibatkan karena kegagalan yang terjadi pada celah udara merupakan luapan energi yang dihasilkan kapasitor primer saat energi tersebut melebihi energi yang dibutuhkan untuk menembus isolasi udara pada celah udara dalam setiap detiknya sehingga semakin sering terjadi kegagalan pada celah udara dan semakin besar energi yang dihasilkan oleh kapasitor primer, maka akan semakin besar pula daya yang dihasilkan pada celah udara.

3. Perubahan akibat variasi kapasitansi primer


Kapasitansi Primer vs Total Waktu Transfer Energi

600

583,84

400

y = -72,096x + 607,09 R² = 0,8872

412,84

200

Total Waktu Transfer Energi (ms)

800

337,08 288,87 261,1

0 0

2

4

6

Kapasitansi Primer (nF)

20,000 15,000

y = 2,0223x + 5,3247 R² = 0,9873

10,000 7,010

5,000

9,920

15,680 14,170 12,150

0,000 0

2

4


(a)

(b) Kapasitansi Primer vs Tegangan Terminal Tegangan Terminal (V)

Frekuensi Primer (kHz)

Kapasitansi Primer vs Frekuensi Primer

200000 150000

108485 76710

100000

132866

155042

171529

y = 22124x + 58239 R² = 0,9875

50000 0 0

2

4

6


(c) Gambar 5 (a) Kapasitansi Primer vs Frekuensi Primer (b) Kapasitansi Primer vs Total Waktu Transfer Energi (c) Kapasitansi Primer vs Tegangan Terminal Primary resonant frequency merupakan nilai frekuensi yang muncul pada bagian primer diakibatkan oleh pengaruh induktor dan kapasitor pada rangkaian seperti yang dijabarkan dalam persamaan (5). Berdasarkan persamaan tersebut dapat diketahui bahwa nilai frekuensi resonansi berbanding terbalik dengan nilai akar dari kapasitor sehingga, semakin besar kapasitor yang digunakan, frekuensi resonansi yang muncul pada bagian primer akan mengalami penurunan meskipun tidak begitu signifikan. Total energy transfer time merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirim energi dari primer ke sekunder. Jika kemampuan transfer energi komponen primer dan sekunder dianggap tetap sedangkan energi yang ingin ditransfer pada kapasitor semakin besar, maka waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses transfer energi akan semakin lama. . Terminal voltage merupakan besarnya nilai tegangan yang dihasilkan pada toroida di bagian sekunder. Nilai tegangan ini dipengaruhi oleh besarnya nilai tegangan


6

efektif dalam fungsi kapasitansi pada saat seluruh energi disimpan dalam kapasitansi resonator. Dikarenakan kapasitansi menyimpan energi dalam bentuk muatan, lalu melakukan pelepasan muatan pada suatu tegangan tertentu sehingga terjadi lompatan api pada celah udara, maka semakin besar kapasitansi yang digunakan pun akan berakibat pada besarnya energi yang disimpan.Besarnya energi yang disimpan kapasitor primer akan memengaruhi seberapa besar energi yang dikirim menuju komponen kapasitor primer atau toroida. Energi yang diterima oleh toroida selanjutnya akan dilepaskan dalam bentuk muatan yang menyambar di sekeliling toroida atau disebut juga dengan streamer.

4. Tegangan dan arus pada lilitan sekunder Tabel 2 Perbandingan Panjang, Tegangan dan Arus Dari Kumparan Sekunder Panjang

kumparan Tegangan pada kumparan Arus pada kumparan

sekunder (cm)

(V)

(A)

0

870.5

7

5

13110

7

10

30547

6.9

15

48535

6.9

20

66479

6.8

25

84000

6.6

30

100000

6.45

35

112364

6.25

40

128288

6

45

142723

5.78

48.7

150000

5

Besarnya nilai kelipatan tegangan dan arus yang terjadi pada ujung kumparan sekunder dapat dihitung dengan : (6)


(7)

Sedangkan besarnya nilai kelipatan arus yang terjadi adalah : (8) (9)

Adapun nilai pelipatan yang berbeda jauh ini disebabkan karena faktor resistansi dalam kumparan sekunder.

Kesimpulan 1. Kumparan tesla mampu menghasilkan output dengan karakteristik : tegangan yang tinggi, arus yang lemah, namun dengan frekuensi tinggi. 2. Proses penyetelan frekuensi berfungsi untuk mengubah nilai frekuensi bagian primer agar mendekati nilai frekuensi sekunder dengan cara mengubah lilitan ataupun koneksi pada kumparan primer. 3. Frekuensi primer yang semakin mendekati frekuensi sekunder dapat mengoptimalkan energi yang mampu ditransfer dari bagian primer ke sekunder 4. Semakin lebar celah celah udara yang digunakan, maka akan berimbas pada semakin besar energi efektif yang tersimpan dalam kapasitor, semakin besar tegangan yang muncul pada toroida dan semakin besar daya yang dikirim menuju celah udara 5. Semakin besar kapasitor primer yang digunakan, akan berimbas pada semakin kecil frekuensi resonansi yang dihasilkan, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk melakukan transfer energi dan semakin besar tegangan yang muncul pada toroida 6. Panjang kumparan sekunder berbanding lurus dengan tegangan pada kumparan sekunder dan berbanding terbalik dengan arus pada kumparan sekunder. 7. Besarnya nilai tegangan dan arus pada kumparan sekunder mengalami kelipatan dari nilai tegangan dan arus bagian primer. Parameter tegangan mengalami pelipatan sebesar 16.67 kali dan untuk arus mengalami pelipatan sebesar 166.67 kali.


Daftar Pustaka [1] Anderson, Barton B. (2000,November 24). The Classic Tesla Coil : A Dual-Tuned Resonant Transformer. [2] Burnett,Richard. Richie’s Tesla Coil Webpage http://www.richieburnett.co.uk/tesla.shtml [3] Waser, Andre. (2000). Nikola TESLA’s Wireless Systems. www.andre-waser.ch [4] Mills, Hank. (2011, April). “Tesla Coil for Dummies”. http://pesn.com/2011/04/29/9501818_Tesla_Coils_for_Dummies/ [5] “How to Build A Tesla Coil”. (n.d.). http://www.instructables.com/id/How-to-build-a-TeslaCoil/?ALLSTEPS [6] “Neon Sign Replacement Parts”. The Neon Sign Guy. http://www.neonsignguy.com/neonsignreplacementparts.html [7] “Components: Transformers”. Mark’s Tesla Coil Page. http://www.stolzweb.org/tesla/psu/xformer.htm [8] “Tesla Coil Design, Construction and Operation Guide”. (2009). Kevin Wilson. http://www.teslacoildesign.com/construction.html [9] Gerekos, Christopher. (2012). "The Tesla Coil : Zeus Project". Perancis: Universite Libre de Bruxelles [10] L.A.N.L. report "High-Power Microwave-Tube Transmitters, chapter 7, by William North" (the North Report) [11] Modul Praktikum Teknik Arus dan Tegangan Tinggi. (2012). Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran Listrik. Universitas Indonesia. [12] Barton B Anderson. JAVATC- http://www.classictesla.com/java/javatc/javatc.html


Analisis Pengaruh Penyetelan Frekuensi, Kapasitansi Primer Dan Lebar Celah Udara Terhadap Operasi Kerja Kumparan Tesla 9 kv

Recommend Documents