BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Sejarah Pengiriman Daya Listrik Tanpa Kabel Mentransmisikan sejumlah tenaga listrik yang besar merupakan aplikasi gelombang mikro yang sangat memungkinkan di masa depan namun masih belum terbukti dan populer sejauh ini. Pada tahun 1900, Nikola Tesla, penemu dan ilmuwan, mengusulkan penggunaan gelombang radio untuk mengirimkan daya untuk saluran listrik tegangan tinggi.Nikola Tesla lahir di Smiljan, sebuah desa di daerah pegunungan di Semenanjung Balkan yang dikenal sebagai Lika, yang pada saat itu merupakan bagian dari Perbatasan Militer negara Austria-Hongaria. Pada bukunya yang berjudul Prodigal Genius-The Life of Nikola Tesla yang di buat oleh JJ Oneill, diceritakan tentang proses pembuatan dan pengujian wireless power-transmission yang dilakukan Tesla dengan menyalakan ratusan lampu pijar pada jarak 26mil, lampu tersebut menyala dengan energi listrik bebas yang diambil dari bumi, dengan katalain tesla menyebut bahwa percobaanya ini merupakan sebuah terobosan untuk sebuah free energy. Namun, meskipun kelihatannya seperti sebuah prestasi, tapi karen tidak adanya dokumentasi dari Tesla sendiri maka hal tersebut hanyalah sebuah bualan belaka dan tidak ada yang bisa membuktikan serta melakukan percobaan sebagai pembuktiannya. Tesla hanya membuat catatan dia sendiri yang telah diterbitkan yang menyatakan bahwa demonstrasi tersebut benar-benar terjadi.
5
2.2 Definisi Pengiriman Daya Listrik Tanpa Kabel Pengiriman daya listrik tanpa kabel adalah suatu sistem yang memiliki proses dimana energi listrik dapat ditransmisikan dari suatu sumber listrik menuju ke beban listrik tanpa melalui suatu kabel. Transmisi daya listrik tanpa kabel ini berguna jika kita membutuhkan suatu energi listrik, akan tetapi tidak ada kabel di sekitar tempat kita berada. Alat pengirim daya listrik tanpa kabel memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari, yang terbagi dalam dua kategori, yaitu : 1. Memberikan sumber listrik tanpa kabel secara langsung, yaitu ketika peralatan elektronik tanpa baterai membutuhkan daya listrik, akan tetapi tidak ada kabel disekitarnya, maka alat pengirim daya listrik tanpa kabel akan berfungsi selama masih berada dalam area jangkauan. (contoh : televisi, lampu.) 2. Mengisi ulang secara otomatis tanpa kabel, yaitu ketika suatu alat elektronik yang menggunakan baterai yang dapat diisi ulang membutuhkan isi ulang baterai, maka alat ini juga dapat digunakan. (contoh : telepon genggam, pemutar mp3, laptop.) Alat pengirim daya listrik tanpa kabel ini sangat berbeda dengan prinsip induksi elektromagnetik konvensional, seperti yang digunakan pada trafo, dimana kumparan primer dapat mentransmisikan daya ke kumparan sekunder dalam jarak yang sangat dekat
2.3 Prinsip Induksi Elektromaknetik Pada awal tahun 1930, Michael Faraday dan Joseph Henry melakukan sebuah percobaan untuk mencari tahu atas apa yang telah di lakukan oleh H.C. Oersted melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digeraka n masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumpara
6
n itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Cara kerjanya, pada saat magnet digerakkan masuk dan keluar kumparan, jarum galvanometer menunjukkan penyimpangan kekanan dan kekiri.Hal ini menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik.Beda halnya jika magnet diam, pada ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.Dan arus listrik terjadi apabila pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (Gaya Gerak Listrik) dan GGL yang terjadi di ujungujung kumparan dinamakan GGL induksi.Penyimpangan yang terjadi pada galvanometer menunjukkan bahwa GGL induksi yang dihasilkan berupa tegangan bolak-balik (AC). Resonansi adalah suatu gejala suatu sistem yang dalam suatu frekuensinya cenderung untuk menyerap lebih banyak energi dari lingkungan. Dengan kata lain, resonansi adalah sebuah fenomena dimana jika suatu objek atau benda bergetar, maka benda lain dengan frekuensi yang sama akan ikut bergetar juga. Resonansi dapat mengirimkan energi. Sebagai sebuah contoh sederhana, jika kita mempunyai 2 buah garpu tala dengan frekuensi yang sama dan jarak yang cukup, maka jika kita memukul garpu tala A sehingga timbul bunyi, maka ketika kita menahan garpu tala A sampai bunyinya berhenti, garpu tala B akan berbunyi juga meskipun tidak kita pukul. Ini merupakan fenomena resonansi akustik. Energi yang membuat garpu tala B ini bergetar dihasilkan dari gelombang bunyi dari garpu tala A, media pengirimannya adalah medan bunyi. Dapat dikatakan bahwa inti dari propagansi getaran ini adalah suatu pengiriman energi.
7
Mirip dengan medan bunyi, ini juga dapat dimungkinkan pada medan elektromagnetik.
2.4 Resonansi Elektromaknetik Fenomena resonansi sudah secara luas berada di alam ini.Perbedaan jenis resonansi juga berisikan energi yang berbeda pula. Suaradari garpu tala dihasilkan dari suatu resonansi, begitu pula dengan suatu gempa bumi dihasilkan dari suatu resonansi, akan tetapi energi dari gempa bumi jauh lebih besar daripada suara garpu tala. Resonansi adalah suatu gejala suatu sistem yang dalam suatufrekuensinya cenderung untuk menyerap lebih banyak energi dari lingkungan. Dengan kata lain, resonansi adalah sebuah fenomena dimana jika suatu objek atau benda bergetar, maka benda lain dengan frekuensi yang sama akan ikut bergetar juga. Resonansi dapat mengirimkan energi. Sebagai sebuah contoh sederhana, jika kita mempunyai 2 buah garpu tala dengan frekuensi yang sama dan jarak yang cukup, maka jika kita memukul garpu tala A sehingga timbul bunyi, maka ketika kita menahan garpu tala A sampai bunyinya berhenti, garpu tala B akan berbunyi juga meskipun tidak kita pukul. Ini merupakan fenomena resonansi akustik. Energi yang membuat garpu tala B ini bergetar dihasilkan dari gelombang bunyi dari garpu tala A, media pengirimannya adalah medan bunyi. Dapat dikatakan bahwa inti dari propagansi getaran ini adalah suatu pengiriman energi. Mirip dengan medan bunyi, ini juga dapat dimungkinkan pada medan elektromagnetik. Medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat membangkitkan medan listrik yang juga berubah terhadap waktu, dan juga sebaliknya. Jika proses ini
8
berlangsung terus menerus, maka akan dihasilkan medan magnet dan medan listrik yang terus menerus juga. Selain itu, medan magnet dan medan listrik yang secara serempak di dalam ruang merambat ke segala arah, maka terjadi gelombang dalam gejala ini. Gelombang yang merambat dalam ruang membawa serta medan magnet dan medan listrik dapat disebut juga gelombang elektromagnetik. Tetapi radiasi medan elektromagnetik pada skala tertentu dapat menjadi ancaman bagi seluruh organisme yang hidup di sekitarnya. Dalam akan
pembangkitannya,
hasil
radiasi
gelombang
elektromagnetik
memancarkan sejumlah energi yang dipancarkan terus menerus ke
lingkungan, tidak bergantung apakah ada yang menangkap atau tidak. Jika dalam jangkauannya ada suatu benda yang dapat menangkap radiasi gelombang elektromagnetnya, maka benda tersebut akan beresonansi serta Mendapat energi hasil Perpindahan dari gelombang elektromagnet. Dan selama perpindahan itu berlangsung, perpindahan itu terjadi secara resonansi elektromagnetik.
2.5 Penyebab Terjadinya GGL Induksi Seorang ilmuwan dari Jerman yang bernama Michael Faraday (1991 – 1867) memiliki gagasan dapatkah medan magnet menghasilkan arus listrik? Gagasan ini didasarkan oleh adanya penemuan dari Oersted bahwa arus listrik dapat menghasilkan medan magnet. Karena termotivasi oleh gagasan tersebut kemudian pada tahun 1822, Faraday memulai melakukan percobaan-percobaan. Pada tahun 1831 Faraday berhasil membangkitkan arus listrik dengan menggunakan medan magnet. Alat-alat yang digunakan Faraday dalam percobaannya adalah gulungan kawat
atau
kumparan
yang
ujung-ujungnya
dihubungkan
dengan
9
galvanometer.Jarum galvanometer mula-mula pada posisi nol. Seperti yang sudah mengetahui, bahwa galvanometer adalah sebuah alat untuk menunjukkan ada atau tidaknya arus listrik di dalam rangkaian. Percobaan Faraday untuk menentukan arus listrik dengan menggunakan medan magnet, dilakukan antara lain seperti kegiatan di atas. Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat didalam
kumparan bertambah banyak.Bertambahnya
jumlah garis- garis gaya ini menimbulkan GGL induksipada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer.Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya magnet listrik dalam kumparan bertambah. Akibat medan magnet, hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya magnet itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara. Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis
gaya
magnet
yang
terdapat
di
dalam
kumparan
berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi
pada
ujung-ujung
kumparan.
GGL
induksi
yang
ditimbulkan
menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer.Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan.pada saat magnet keluar garis gaya magnet dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya magnet itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi
10
perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Dari hasil percobaan di atas maka dapat diambil kesimpulan bahwa arus induksi yang timbul dalam
kumparanarahnya
bolak-balik seperti yang ditunjukkan oleh penyimpangan jarum galvanometer yaitu ke kanan dan ke kiri. Karena arus induksi selalu bolak-balik, maka disebut arus bolak- balik (AC = Alternating Current). Faraday menggunakan konsep garisgaya magnet untuk menjelaskan peristiwa di atas. 1. Magnet didekatkan pada kumparan maka gaya magnet yang melingkupi kumparan menjadi bertambah banyak, sehingga pada kedua ujung kumparan timbul gaya gerak listrik (GGL). 2. Magnet dijauhkan terhadap kumparan maka garis gaya magnetyang melingkupi kumparan menjadi berkurang, kedua ujung kumparan juga timbul GGL. 3. Magnet diam terhadap kumparan, jumlah garis gaya magnet yang melingkupi kumparan tetap, sehingga tidak ada GGL. Timbulnya gaya listrik (GGL) pada kumparan hanya apabila terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet.Gaya gerak listrik yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut GGL induksi, sedangkan arus yang mengalir dinamakan arus induksi dan peristiwanya disebut induksi elektromagnetik.
11
2.6 Faktor Besarnya GGL Ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar GGL induksi yaitu: 1. Kecepatan perubahan medan magnet. Semakin cepat perubahan medan magnet, maka GGL induksi yang timbul semakin besar. 2. Banyaknya lilitan semakin banyak lilitannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar. 3. Kekuatan magnet, Semakin kuat gelaja kemagnetannya, maka GGL induksi yang timbul juga semakin besar. Untuk memperkuat gejala kemagnetan pada kumparan dapat dengan jalan memasukkan inti besi lunak. GGL induksi dapat ditimbulkan dengan caralain yaitu: 1. Memutar magnet di dekat kumparan atau memutar kumparan di dekat magnet. Maka kedua ujung kumparan akan timbul GGL induksi. 2. Memutus-mutus atau mengubah-ubah arah arus searah pada kumparan primer yang di dekatnya terletak kumparan sekunder maka kedua ujung kumparan sekunder dapat timbul GGL induksi. 3. Mengalirkan arus AC pada kumparan primer, maka kumparan sekunder didekatkan dapat timbul GGL induksi. Arus induksi yang timbul adalah arus AC dan gaya gerak listrik induksi adalah GGL AC.
2.7 Kumparan Pemancar dan Kumparan Penerima Sebelumnya kita sudah mengenal koneksi jaringan data tanpa kabel atau yang lebih sering disebut wireless atau wifi, nah pada saat ini para ilmuan sedang mengembangkan jaringan Listrik Tanpa Kabel (Wireless Electricity). Dengan
12
adanya penemuan baru ini, kita tidak perlu lagi ribet dengan adanya kabel yang berlalu lalang disekitar kita, dengan Listrik Tanpa Kabel (Wireless Electricity) kita dapat menggunakan peralatan elektronik kita seperti TV, system stereo, DVD, atau Bluray- Player, HiFi-Headset, semuanya bekerja tanpa menggunakan baterai atau kabel listrik. Bahkan, baterai perangkat mobile seperti laptop, ponsel, atau kamera digital terisi secara otomatis, jadi begitu Anda memasuki rumah, tentu tanpa harus mencolokkan kabel. Prinsip dasar bagaimana energi listrik dapat di transfer tanpa kabel adalah berhubungan dengan fenomena resonansi. Resonansi merupakan proses bergetarnya suatu benda dikarenakan ada benda lain yang bergetar, hal ini terjadi dikarenakan suatu benda bergetar pada frekwensi yang sama dengan frekwensi benda yang terpengaruhi.Sebuah transmitter WREL memancarkan medan magnet dengan bantuan coil yang dipancarkan dengan frekuensi yang sama dengan receiver WREL. 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 WREL juga menentukan sendiri tegangan yang diperlukan sesuai dengan ukuran.Jadi, fungsi adaptor tidak diperlukan.Selain itu, transmiter WREL juga hanya memancarkan energi sebanyak yang diperlukan oleh receiver. Tetapi keamanan terhadap radiasi masih perlu dipertanyakan. Karena medan magnet yang kuat selalu membawa radiasi elektromagnetis. Maka saat ini para peneliti berusaha untuk menggunakan frekuensi yang menghasilkan medan magnet yang kuat dengan beban electromagnetis kecil dan
13
terbukti saat produk pertama diluncurkan ke pasar, teknologi WREL ini benarbenar aman terhadap manusia. Bayangkan pemancar WREL dapat dipasang dalam dinding rumah untuk memasok listrik ke semua perangkat elektronik yang berada dalam magical zone ( Area jangkauan ). Bahkan meja tulis pun dapat berguna untuk memasok maupun mengisi baterai semua perangkat elektronik di sekitarnya. Untuk kedepannya tidak ada lagi kabel, adaptor, dan steker Begitu teknologi WREL sudah matang dan aman, aplikasinya bakal meluas dengan cepat, misalnya untuk aplikasi medis, seperti untuk mengoperasikan alat pengatur detak jantung atau mengimplementasikan organ-organ buatan. Pemancaran listrik secara nirkabel bakal menjadi faktor penting, bukan saja antarperangkat, melainkan juga di dalam perangkat-perangkat canggih itu sendiri.Sama seperti melihat Internet melalui WLAN (wifi,hotspot) saat ini.
2.8 Antena Wireless charger
Gambar 2.1 Antenna Antena dapat juga didefinisikan sebagai sebuah atau sekelompok konduktor yang
digunakan
untuk
memancarkan,
atau
meneruskan
gelombang
14
elektromagnetik menuju ruang bebas atau menangkap gelombang elektromegnetik dari ruang bebas.Energi listrik dari pemancar dikonversi menjadi gelombang elektro-magnetik, dan oleh sebuah antena kemudian gelombang tersebut dipancarkan menuju udara bebas.Pada penerima akhir, gelombang elektro-magnetik tersebut dikonversi menjadi energi listrik dengan menggunakan antena. Sinyal gelombang radiasi elektromagnetik yang berasal dari antena terdiri dari dua komponen yaitu: medan listrik dan medan magnetik. Energi total tersebut dipancarkan dalam bentuk gelombang yang hampir konstan ke udara bebas, dan ada beberapa yang terserap oleh tanah. Namun demikian, gelombang tersebut dipancarkan ke segala arah, dan hal ini disebabkan oleh jumlah energi yang dipancarkan berkurang kekuatannya sebagai akibat dari jarak yang semakin jauh dari sumbernya.
2.9Prinsip Resonansi (Tunning Circuit) Nama lain rangkaian resonansi adalah rangkaian penala (Tunning Circuit), yaitu satu rangkaian yang berfungsi untuk menala sinyal denganfrekuensi tertentu dari satu
band
frekuensi.Melakukan
“beresonansi”dengan
penalaan
sinyal/frekuensi
berarti
rangkaian
tersebut.Dalam
keadaan
tersebut tertala
(beresonansi),signal bersangkutan dipilih untuk ke tahap selanjutnya bisa diterima unutkdapat
menghasilkan
penghantaran
tegangan
atau
di
modulasikan
sebagaimedia telekomunikasi. Rangkaian dapat digunakan misalnya : 1. Antara sistem antena dan penguat RF (Radio Frequency) satusistem penerima.
15
2. Antara tahap tahap penguat RF (Radio Frequency), IF (Intermediate Frequency) pada sistem penerima
2.10Prinsip Couple Reconance Pada awal transmisi tenaga induktif rangkaian resonansi hanya digunakan untuk meningkatkan transmisi daya induktif.Setelah Nikola Tesla mengunakannya dalam eksperimen resonansi pertama tentang transmisi tenaga induktif yang telah dilakukan lebih dari seratus tahun yang lalu.Terutama
untuk sistem dengan
faktor kopling rendah
digunakan
meningkatkan
transmisi
penerima resonansi dapat daya.
Pengunaan
untuk
untuk
meningkatkan daya
transmisi tidak hanya khusus pada transmisi tenaga resonansi, namun banyak digunakan pada metode transmisi listrik induktif dan dibatasi oleh kendala yang sama efisiensi dan emisi medan magnet. Untuk memahami efek, dapat dibandingkan dengan resonansi mekanik yang ada. Pertimbangkan dengan menyesuaikan rangkaian tuned untuk kondisi tertentu sebagai resonator mekanik. Bahkan untuk tingkat suara jauh dan tingkat suara terendah dari generator dapat digunakan untuk menentukan pitch dari rangkaian tuned tersebut. Resonator pada bagian penerima terdiri dari induktansi penerimadan kapasitor. Gulungan pemancar dan Gulungan penerima dapat dianggap sebagai coupled transformator yang lemah. Untuk itu, diagram rangkaian ekivalen yang terdiri dari rangkaian induktif dan kapasitif dapat diturunkan secara ekivalen. Dalam diagram rangkaian ini, gulungan(coil) merupakan salah satu dari hambatan(resistansi) yaitu hambatan induktif. Dari diagram juga menunjukkan
16
dengan jelas bahwa kapasitor bagian penerima dan
resonansi membatasi
induktansi yang liar pada
induktansi magnetik pada bagian transmitter. Dengan
menghilangkan nilai kapasitor tersebut maka rangkaian yang tersisa untuk transmisi daya adalah resistansi induktif dari gulungan (coil) yang nilai impedansinya lebih kecil dibanding dengan nilai dimana, impedansi adalah satu atau dua porsi besar lebih rendah daripada induktansi. Oleh karena itu, jika menambahkan generator sumber tertentu kekuatan transmisi akan lebih dapat diterima.
2.11 Penyimpanan Energi (Bateray) Baterai adalah alat listrik kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluar kan tenaganya dalam bentuk listrik.Baterai atau aki, atau bisa juga accu adalah sebuah sel listrik dimana di dalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektroda-elektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel. Baterai berfungsi untuk menyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia, yang akan digunakan untuk mensuplai (menyediakan) listik ke komponen komponen kelistrikan lainnya.Accu ini berisi air accu(cairan asam belerang / sulfuric acid).Pada accu basah, terdapat lubang dengan tutup yang dapat dibukatutup untuk menambah air accu.Air accu dapat berkurang saat accu digunakan.Hal ini terjadi karena reaksi kimia di dalam accu antara air accu dengan sel accu. 17
Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik.Baterai primer hanya bisa dipakai sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction).Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction). Bagian baterai akan menyimpan arus listrik yang dihasilkan generatorlistrik agar bisa digunakan setiap saat. Jenis aki yang digunakan sebaiknya jenis Deep Cycle Battery.karena keterbatasan ketersediaan akan energi angin (tidak sepanjang hari angin akanselalu tersedia), maka ketersediaan listrik juga tidak menentu. Oleh karena itu digunakanalat penyimpan energi yang berfungsi sebagai backup energy listrik. ketika bebanpenggunaan daya listrik masyarakat meningkat atau ketika kecepatan angin suatu daerahsedang menurun, maka kebutuhan permintaan akan daya listrik tidak dapat terpenuhi. Sebuah baterai biasanya terdiri dari tiga komponen penting, yaitu : 1. Batang karbon sebagai anoda (kutub positif baterai) 2. seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai) 3. pasta sebagai elektrolit (penghantar) Oleh karena itu kita perlu menyimpan sebagian energi yang dihasilkan ketika terjadi kelebihan daya pada saat turbin angin berputar kencang atau saat
18
penggunaan daya pada masyarakat menurun.Contoh sederhana yang dapat dijadikan referensi sebagai alat penyimpan energi listrik adalah aki mobil. Aki 12 volt, 65 Ah dapat dipakai untuk mencatu rumah tangga selama 0,5 jam pada daya 780 watt.
2.12. Sistem Secara Umum Transfer Energy Tanpa Kabel Pada proses perencangan dan realisasi Helmy Kautsar dari pembuatan sistem penghantar daya tanpa kabel Namun sebelumnya akan di jelaskan secara garis besar sistem yang akan dibahas.Wireless power transmission merupakan sebuah sistem yang mengaplikasikan metoda nirkabel untuk menghantarkan tegangan. Rangkaian pengirim merupakan rangkaian yang terdiri dari rangkaian penghasil sinyal dan rangkaian RF amplifier.Dengan gabungan dari dua rangkaian tersebut maka daya dari sumber dapat dikirimkan hingga bisa diterima dibagian penerima.Rangkaian
penerima
disini
merupakan
rangkaianyang
dibuat
berdasarkan prinsip resonansi yang memiliki kesamaan frekuensi yang dipengaruhi faktor komponen LC.Rangkaian LC pada penerima (receiver) dapat juga didekatkan / dihubungkan dengan rangkaian filter.Gambaran secara singkat dari sistem ini dapat dilihat pada gambar di bawahini. LOOP PENGIRIM
RF AMPLIFIER
LOOP PENERIMA
RANGKAIAN BEBAN
RANGKAIAN SUMBER PENGHASIL SINYAL
Gambar 2.2 Design dari system 19
Pada proses pembuatan alat yang dilakukan oleh Micheal Octora yang dapat mengirimkan daya listrik tanpa kabel(wireless power transfer) dengan prinsip induksi resonansi magnetik, terdapat tiga bagian utama yaitu, Rangkaian sumber arus searah, yang berfungsi untuk mengkonversi tegangan arus bolak balik ke tegangan arus searah untuk menjadi sumber pada rangkaian pemancar. Rangkaian Pemancar, yaitu terdiri dari suatu rangkaian pembangkit tegangan arus bolak balik dengan frekuensi tinggi dan rangkaian LC sebagai penghasil frekuensi resonansi magnetik yang akan mengirimkan daya listrik ke rangkaian penerima. Rangkaian Penerima, terdiri dari suatu rangkaian LC dengan frekuensi resonansi yang sama dengan rangkaian pemancar, sebagai penangkap induksi resonansi magnetik dari rangkaian pemancar untuk menerima daya listrik yang akan disalurkan menuju beban
.
Gambar. 2.3 Diagram WPT Sesuai skematik pada gambar diatas, kami merancang dan membuat masing-masing rangkaian yang dibutuhkan untuk membangun sistem pengiriman energi listrik dan melakukan serangkaian percobaan untuk melihat performa dari rangkaian yang kami buat.Kami juga berusaha melakukan berbagai pengaturan untuk memperoleh hasil maksimal dari rangkaian yang kami buat tersebut. Dikarenakan keterbatasan peralatan yang ada di departemen elektro Universitas
20
Indonesia, seperti ketersediaan penghasil sinyal atau function generator yang memiliki daya tinggi, telah dilakukan banyak percobaan dalam menentukan frekuensi yang optimal dengan peralatan dan komponen seadanya yang beredar di pasaran. Serangkain percobaan ini telah dilakukan lakukan di laboratorium dengan menggunakan rangkaian proto-board serta melihat bentuk gelombangdan frekuensinya dengan bantuan osiloskop analog. Setelah diperoleh frekuensi resonansi pada rangkaian pemancar yang telah dianggap cukup dan sistem sudah mulai berjalan, mulai dibuat masing-masing rangkaian dengan bantuan software eagle versi 5.6.0 dan membuat beberapa alat pengiriman daya listrik tanpa kabel yang berfungsi dengan lebih baik.
2.13 Perancangan Transmiter Pada perancangan Helmy Kautsar transmiter (pemancar/pengirim) merupakan bagian yang paling penting dalam sistem ini, jika tidak ada rangkaian pemancar
maka
sebuah
ditransmisi/hantarkan
tanpa
tegangan
dari
menggunakan
supply kabel.pada
diatas sistem
tidak
dapat
ini
untuk
memancarkan gelombang digunakanlah sebuah rangkaian osilasi yaitu rangkaian royer oscillator. Pemilihan rangkaian osilasi ini karena kebutuhan untuk pengunaan daya yang besar, serta dengan menggunakan rangkaian ini tidak membutuhkan rangkaian penguat Radio Frequency ( RF ). Berbeda halnya bila mengunakan osilator yang lain dimana osilator yang pada dasarnya memiliki daya yang kecil harus dihubungkan dengan rangkaian penguat lagi sehingga sistem penghantaran dapat terjadi. Namun terlepas dari itu
21
semua masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan akan diterangkan pada bab berikutnya. Bagian LC merupakan bagian terpenting dari royer oscillator. Perubahan yang dilakukan di LC membuat frekuensi berubah, hal ini yang menjadi percobaan. Sedangkan untuk design LOOP yang merupakan sebuah induktor namun tidak berupa lilitan tapi berupa selubung tembaga yang dibengkokan sedemikian rupa.Sebenarnya pengunaan kawat pejal juga dapat dipergunakan namun jika dibuat dengan diameter yang sama dan nilai induktasinya sama, maka menghasilkan diameter yang cukup kecil. Namun jika menggunakan kawat pejal tersebut akan terjadi panas yang berlebih dibandungkan dengan menggunakan selubung tembaga. Dengan melakukan perubahan yang mengacu kepada pengamatan penulis dengan antena televisi yang ada dimana, jugabanyak
menggunakan
selubung-selubung
aluminium.
Loop
tembaga
berselubung menjadi milihan yang baik untuk merancang loop pada pemancar (tra nsmitter) dan penerima. Dimana dengan induktansi yang di inginkan akan didapat kan diameter yang lebih besar dan panas yang berkurang. Berikut ini akan di tampilkan diagram dari rangkaian royer yang di gunakan.
Gambar 2.4 Rangkaian royer oscillator
22
Gambar 2.5 transmiter dengan kawat tembaga 2 turn
Gambar 2.6 Transmiter dengan copper tube Dalam suatu system yang di gunakan dari Michael Octora, pengiriman daya listrik tanpa kabel rangkaian pemancar merupakan rangkaian yang sangat penting dalam proses timbulnya resonansi magnetik. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, bahwa rangkaian pemancar terdiri dari suatu rangkaian penghasil arus bolak balik frekuensi tinggi dan suatu rangkaian LC yang berfungsi sebagai penghasil frekuensi resonansi.Perancangan rangkaian pemancar ini dilakukan dengan bantuan software eagle versi 5.6.0.Pada rangkaian pemancar, semua komponen dirancang untuk mencapai frekuensi resonansi tertentu, agar dapat mengirimkan daya listrik dengan baik.Pada gambar 2.7 berikut ini adalah gambar rangkaian pemancar yang sudah dirancang dan dapat berjalan dengan baik.
23
Gambar 2.7. Sistem WPT Pada gambar 2.7, terlihat bahwa rangkaian pemancar awal sudah dapat berfungsi dengan baik, akan tetapi dengan perancangan yang lebih optimal, seperti perbaikan pada loop atau antena pemancar, rangkaian yang telah disolder, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.7, terlihat pada sistem bahwa daya listrik yang dapat diterima menjadi lebih jauh dan lebih baik.
2.14 Perancangan Receiver Perancangan
receiver(penerima)
gelombang
elektromagnetik
yang
dilakukan oleh Helmy Kautsar 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 24
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. Rangkaian penerima dari Michael Octora hanya terdiri dari rangkaian LC saja yang akan terhubung ke beban. Rangkaian LC pada rangkaian penerima berfungsi untuk menerima induksi resonansi magnetik yang dihasilkan oleh rangkaian pemancar. Untuk mendapatkan kinerja yang baik, maka frekuensi resonansi sendiri pada rangkaian penerima harus sama atau mendekati dengan frekuensi resonansi kopling yang ada pada rangkaian pemancar. Bentuk, ukuran, serta nilai tidak harus sama atau identik, asalkan sayarat frekuensi resonansi kopling terpenuhi. 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 lebih baik jika dibandingkan dengan menggunakan konsep induksi konvensional seperti pada konsep yang dipakai pada trafo, akan tetapi tidak lebih baik jika dibandingkan dengan memakai kabel seperti biasa. Jika dibandingkan secara kasat mata bentuk loop atau antena pada gambar 2.6 dan 2.7, tentu terlihat jelas bahwa pada gambar 2.7 didapatkan kinerja yanglebih baik dari pada gambar 2.6 Oleh karena itu perlu dirancang dan dibentuk suatu rangkaian penerima yang baik agar didapatkan kinerja yang lebih baik pada sistem tersebut. Gambar 2.8 berikut ini adalah gambar dari rangkaian penerima yang telah didesain sedemikian rupa
25
sehingga memiliki frekuensi resonansi yang sama dengan frekuensi resonansi pada rangkaian pemancar.
Gambar 2.8. Rangkaian Penerima 2.15
Pengujian dan Pengambilan data
Percobaan yang dilakukan Helmy Kautsar bertujuan untuk membuat sebuah transmiter yang paling optimum dengan memperhatikan perubahan yang terjadi pada frekuensi dari osilator.Perubahan ini dilakukan dengan mengubah nilai dari LC.Perubahan ini yang nantinya menjadi acuan untuk menentukan osilator dengan kinerja terbaik. Pengujian yang dilakukan untuk memperoleh frekuensi yang di keluarkan dari osilator ada dua metode pengambilan yaitu :Pengambilan data frekuensi tanpa receiver serta beban, Seperti yang telah dibahas di point sebelumnya bahwa pada sistem utama WPT adalah transmitter.Transmitter ini merupakan sebuah rangkaian yang beroasilasi pada frekuensi tertentu dan karena memiliki
daya
yang
disesuaikan
maka
penghantaran
nirkabel
dapat
terjadi.Pengujian ini merupakan sebuah pengujian yang berguna untuk mengetahui frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian ini. Percobaan yang di lakukan adalah dengan mengubah-ubah jumlah kapasitor yang digunakan pada
26
rangkaian LC. Dengan perubahan ini sesuai dengan persamaan di bab sebelumnya maka diharapkan akan terjadi perubahan pada frekuensi pada sistem ini. Selain frekuensi tegangan juga perlu di perhatikan apa berpengaruh juga terhadap perubahan yang dilakukan. Dibawah ini merupakan rangkaian percobaan dari sistem pengirim (transmitter) yang akan diukur dengan mengunakan sebuah osciloscope.
Gambar 2.9 Rangkaian percobaan untuk pengukuran tanpa beban Pengambilan data frekuensi dengan receiver, Setelah mengetahui frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian osilasi diatas.Selanjutnya, pengujian yang dilakukan adalah pengujian dengan memberikan penerima (receiver). Percobaan dilakukan dengan jarak yang tetap dan design penerima yang tidak berubah-ubah, lalu yang diliat apakah terjadi perubahan frekuensi pada transmitter tanpa penerima dibanding dengan mengunakan penerima. Selain frekuensi yang perlu diamati adalah tegangan yang dipancarkan dan tegangan yang diterima dengan jarak yang tetap dan design penerima yang tidak berubah-ubah. Yang berubah hanya pada rangkain LC dari transmit saja.
Gambar 2.10 Rangkaian percobaan untuk pengukuran dengan beban
27
Sedangkan pengujian dan pengambilan data yang dilakukan oleh Michael Octora adalah untuk merancang dan membuat rangkaian penerima yang lebih baik dari rangkaian penerima yang sebelumnya, agar dapat diperoleh jarak yang lebih jauh dan tegangan keluaran yang diinginkan. Percobaan dilakukan dengan melakukan perubahan pada kapasitor di rangkaian LC pada sisi penerima, agar memperoleh nilai frekuensi resonansi sendiri yang sesuai dengan rangkaian pemancar sebagai penghasil frekuensi resonansi kopling, sehingga dapat mencapai hasil kinerja yang lebih baik.Untuk beban, dipakai lampu 12V 8W sebagai indikasi terang atau redupnya lampu, sesuai perubahan kapasitor dan jarak.Sedangkan pada sisi rangkaian pemancarnya tidak dilakukan percobaan, dan menggunakan rangkaian pemancar dengan tanggapan
frekuensi
resonansi
serta
kondisi
yang
paling
baik,
yaitu
dengan 6 kapasitor. Yang dilakukan sedangkan gambar 2.11 menunjukan kondisi kenyataan pada saat pengambilan data.
Gambar 2.11. Prosedur Pengambilan Data Pada percobaan tegangan keluaran tetap, pada sisi rangkaian penerima, tegangan keluaran diatur sehingga bernilai tetap, yaitu3V pada beban, jumlah kapasitor ditambah dari 1 – 10, dan diukur jarak dari antara antena rangkaian pemancar
28
dengan antena pada rangkaian penerima, serta frekuensi resonansi pada pemancar dan penerima. Gambar 2.11 menunjukkan diagram percobaan tegangan keluaran tetap, sedangkan gambar 2.12 menunjukkan salah satu proses pengambilan data yang dilakukan pada percobaan tegangan keluaran tetap dimana nilai dari kapasitornya sebesar 7C, dan tegangan keluaran diatur sedemikan rupa sehingga bernilai 3V, untuk melihat jarak antara antena pemancar dan antena penerima.
Sumber
Pemancar
Penerima
Beban
? Tx
Rx
V = 3Volt
Jarak Tx-Rx
Osiloskop 1
Osiloskop 2
Gambar 2.12. Diagram Percobaan Tegangan Keluaran Tetap
Gambar 2.13. Pengambilan Data Percobaan Tegangan Keluaran Tetap
29
Pada percobaan jarak tetap, jarak dari rangkaian pemancar ke rangkaian penerima diatur tetap, jumlah kapasitor ditambah dari 1 – 10, dan diukur Pesar dari tegangan keluaran pada beban serta frekuensi resonansi pada sistem. Pada percobaan ini akan dilakukan sebanyak tiga kali yaitu pada jarak tetap 10cm, 20cm, dan 30cm. Pada gambar 2.13, akan ditunjukkan diagram untuk pengukuran pada percobaan jarak tetap, sedangkan pada gambar 2.14 sampai gambar2.15 ditunjukkan contoh pengambilan data percobaan pada percobaan jarak tetap.
Gambar 2.14. Contoh Pengambilan Data Percobaan Jarak Tetap (10cm)
Gambar 2.15. Contoh Pengambilan Data Percobaan Jarak Tetap (20cm)
30
Gambar 2.16. Contoh Pengambilan Data Percobaan Jarak Tetap (30cm)
31
