BAB II LANDASAN TEORI
2.1.
Konsep Besaran Listrik Terdapat tiga buah besaran listrik dasar yang digunakan di dalam teknik
elektro, yaitu beda potensial atau sering disebut sebagai tegangan listrik, arus listrik dan daya listrik. Ketiga besaran tersebut merupakan satu kesatuan pokok pembahasan di dalam masalah – masalah teknik tenaga listrik. Selain ketiga besaran tersebut, masih terdapat satu faktor penting di dalam pembahasan teknik listrik, yaitu faktor daya adalah sudut yang dibentuk oleh hubungan pada daya listrik.
2.1.1. Beda Potensial Ketika suatu muatan listrik positif mengalami perpindahan sepanjang lintasan dl di dalam medan listrik E , maka energi potensial elektrostatiknya adalah : W = − q ∫ E • dl
Di mana
:
( 2.1 )
W
=
perubahan energi potensial (J)
q
=
muatan listrik (C)
E
=
medan listrik (N/C)
dl
=
panjang lintasan (m)
6
Beda potensial V sebagai kerja (sumber dari luar) yang digunakan untuk memindahkan suatu muatan listrik positif dari suatu titik ke titik lain adalah perubahan energi potensial listrik yang sebanding dengan muatan listriknya : akhir
V=
W = − ∫ E • dl q awal
( 2.2 )
Beda potensial dinyatakan dalam satuan Joule per Coulomb yang didefinisikan sebagai Volt, sehingga beda potensial sering disebut sebagai voltase atau tegangan listrik. Beda potensial VAB adalah beda potensial berasal dari luar, yang digunakan untuk memindahkan satu muatan listrik dari titik awal B sampai titik akhir A, sehingga : A
V AB = − ∫ E • dl
( 2.3 )
V AB = VB − V A
( 2.4 )
B
Setiap potensial diukur terhadap suatu titik acuan nol. Didalam pengukuran eksperimental fisis, titik acuan yang sering digunakan adalah “bumi”, yaitu potensial permukaan bumi. Sehingga setiap titik mempunyai potensial terhadap titik nol. Potensial A adalah nilai yang diukur dari titik A terhadap titik acuan nol dan potensial B adalah nilai yang diukur dari titik B terhadap acuan nol.
2.1.2. Arus Listrik Arus listrik didefinisikan sebagai laju aliran sejumlah muatan listrik yang melalui suatu luasan penampang melintang. Menurut konvensi, arah arus listrik
7
dianggap searah dengan aliran muatan positif. Arus listrik diukur dalam satuan Ampere (A), adalah satu Coulomb per detik. Arus listrik dirumuskan : I=
Di mana
:
dq dt
( 2.5 ) I
=
arus listrik (A)
dq
=
sejumlah muatan (C)
dt
=
waktu (detik)
2.1.3. Daya Listrik dan Faktor Daya Di dalam konsep fisika, daya yang digunakan untuk kerja didefiniskan sebagai energi yang digunakan per satuan waktu. Daya kerja diukur dalam satuan Watt, adalah satu Joule per detik. Daya kerja dirumuskan sebagai : P=
dW dt
Di mana
:
( 2.6 ) P
=
daya kerja (Watt)
dW
=
perubahan energi (Joule)
dt
=
waktu (detik)
Di dalam konsep teknik tenaga listrik, terdapat tiga buah jenis daya, yaitu daya nyata P atau daya aktif, daya reaktif Q dan daya kompleks atau daya semu
S . Perbedaan ketiga daya tersebut disebabkan karena di dalam konsep teknik tenaga listrik terdapat tiga buah jenis beban yang berbeda, yaitu resistif, induktif dan kapasitif.
8
Daya semu atau daya kompleks adalah gabungan dari daya aktif dan reaktif. Daya kompleks ini merupakan daya listrik yang dijual oleh PLN kepada pelanggannya. Daya semu S diukur dalam satuan VA, merupakan hasil kali antara tegangan dan arus listrik. Daya semu dirumuskan sebagai :
S = V .I Di mana
:
( 2.7 )
S
=
daya kompleks (VA)
V
=
tegangan (V)
I
=
arus listrik (A)
Daya nyata atau daya aktif adalah daya yang digunakan untuk kerja, misalnya digunakan sebagai putaran motor, cahaya dalam lampu penerangan dan panas. Daya nyata P diukur dalam satuan Watt, di rumuskan sebagai : P = S cos ϕ = VI cos ϕ
( 2.8 )
Daya reaktif terdiri dari dua jenis, yaitu daya reaktif yang bersifat induktif dan daya reaktif yang bersifat kapasitif. Daya reaktif yang bersifat induktif digunakan untuk membangkitkan medan magnet, yang diserap oleh beban listrik yang bersifat induktif, misalnya induktor atau gulungan. Daya reaktif yang bersifat kapasitif digunakan untuk membangkitkan medan listrik, yang diserap oleh beban bersifat kapasitif misalnya adalah kapasitor. Daya reaktif Q diukur dalam satuan VAR, dirumuskan sebagai : Q = S sin ϕ = VI sin ϕ
( 2.9 )
9
Hubungan antara ketiga daya di dalam konsep teknik tenaga listrik, digambarkan dalam bentuk segitiga daya, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1. berikut ini.
S
Q ϕ
P Gambar 2.1. Segitiga daya
ϕ adalah sudut yang dibentuk antara daya nyata dan daya kompleks. cos ϕ adalah perbandingan antara daya nyata dan daya kompleks, yang dirumuskan sebagai : cos ϕ =
P S
( 2.10 )
cos ϕ disebut juga sebagai faktor daya atau ( power factor, pf). Untuk beban yang
bersifat induktif, pf lagging di mana arusnya tertinggal dari tegangannya. Dan untuk beban yang bersifat kapasitif, pf leading di mana arusnya mendahului tegangannya.
2.2. Teknik Penerangan Cahaya adalah suatu gejala fisis. Suatu sumber cahaya memancarkan energi, di mana sebagian dari energi ini diubah menjadi cahaya tampak. Perambatan cahaya di ruang bebas dilakukan oleh gelombang-gelombang elektromagnetik. Sehingga cahaya merupakan gejala getaran. Gejala-gejala getaran yang sejenis dengan cahaya adalah gelombang panas, radio, televisi, radar dan sebagainya.
10
Kecepatan rambat gelombang elektromagnetik v di ruang bebas adalah 3.105 km per detik. Apabila frekuensi f dan panjang gelombang nya λ , maka berlaku :
λ=
v f
( 2.11 )
Panjang gelombang cahaya tampak berkisar antara 380 – 780 mµ, dibagi atas beberapa daerah panjang gelombang, seperti yang diperlihatkan pada tabel 2.1. berikut ini. Tabel. 2.1. Spektrum Cahaya No.
Panjang Gelombang (mµ)
Warna Cahaya
1
380 – 420
Ungu
2
420 – 495
Biru
3
495 – 566
Hijau
4
566 – 589
Kuning
5
589 – 627
Jingga
6
627 – 780
Merah
Gambar 2.2. Grafik kepekaan mata manusia
11
Selain memiliki warna tertentu, setiap panjang gelombang juga memberikan intensitas tertentu. Mata manusia paling peka terhadap cahaya dengan panjang gelombang 555 mµ, yaitu cahaya berwarna kuning-hijau. Warna-warna lainnya tampak kurang terang. Gambar 2.2. di atas memperlihatkan grafik kepekaan mata manusia. Apabila intensitas suatu energi radiasi tertentu dengan panjang gelombang 555 mµ, digunakan sebagai acuan untuk mengukur energi 1 W dari suatu sumber cahaya yang dipancarkan, maka dapat dikatakan bahwa sumber cahaya tersebut dinilai dengan 1 Watt cahaya. Jumlah watt yang dipancarkan lampu sebagai energi nampak tidak sama dengan jumlah watt yang dinilai oleh mata. Untuk mendapatkan jumlah watt cahaya, jumlah watt energi setiap panjang gelombang harus dikalikan dengan faktor kepekaan mata untuk panjang gelombang tersebut
Gambar 2.3. Grafik energi – panjang gelombang sebuah lampu
2.3. Arus Cahaya Arus cahaya atau disebut juga fluks cahaya adalah aliran rata-rata energi cahaya yang dipancarkan setiap detik, yang merupakan jumlah keseluruhan watt cahaya di mana jumlah tersebut adalah semua hasil kali antara energi setiap
12
panjang gelombang dengan faktor kepekaan mata. Fluks cahaya dinyatakan dalam satuan lumen (lm). Satu watt cahaya kira-kira sama dengan 680 lumen. Angka perbandingan 680 ini dinamakan ekivalen pancaran fotometris. Sebuah lampu 100 watt hanya memancarkan 8 watt saja sebagai cahaya tampak, sisanya hilang sebagai panas karena konduksi dan radiasi. Dari 8 watt ini setelah dikalikan dengan faktor kepekaan mata, hanya 2,25 watt cahaya saja. Jadi fluks cahaya lampu 100 watt tersebut sama dengan 2,25 x 680 = 1530 lumen. Setiap lampu mempunyai nilai efikesi, yaitu perbandingan besarnya lumen yang dihasilkan setiap lampu dengan daya nyata lampu, yaitu : efikesi =
Di mana
Φ P
:
( 2.12 ) Φ
=
fluks cahaya / arus cahaya (lumen)
P
=
daya nyata lampu
2.4. Intensitas Cahaya Intensitas cahaya adalah energi radiasi yang dipancarkan oleh lampu sebagai cahaya ke suatu jurusan tertentu. Intensitas cahaya dinyatakan dalam candela (cd). Istilah candela berasal dari kata candle yang berarti lilin, merupakan satuan tertua pada teknik penerangan dan diukur berdasarkan intensitas cahaya standar. Suatu sumber cahaya ditempatkan di dalam bola dan memancarkan 1 cd ke setiap jurusan, akan menyebabkan permukaan bola akan mendapatkan penerangan yang merata. Apabila intensitas cahaya 1 cd melalui sudut ruang 1sr (steradian), maka akan mengalir arus cahaya 1 lumen, sehingga intensitas cahaya dapat
13
didefinisikan sebagai arus cahaya per satuan sudut ruang yang dipancarkan ke suatu arah tertentu. Ic =
Φ
( 2.13 )
ω
Di mana
:
Ic
=
intensitas cahaya (cd)
Φ
=
arus cahaya (lumen)
ω
=
sudut ruang (steradian, sr)
Apabila suatu sumber cahaya bernetuk titik ditempatkan di pusat bola, di mana bola dilingkupi oleh sudut ruang sebesar 4π steradian, maka persamaan 2.13 menjadi : Ic =
Φ 4π
( 2.14 )
Atau Φ = 4πI c
( 2.15 )
2.5. Intensitas Penerangan Intensitas penerangan atau iluminasi di suatu bidang adalah fluks atau arus cahaya yang jatuh pada bidang seluas 1 m2. Intensitas penerangan diukur dalam satuan lux (lx), yang besarnya adalah 1 lumen per m2. ~
E=
Φ A
( 2.16 )
14
~
Di mana
:
E
=
intensitas penerangan (lux)
Φ
=
fluks cahaya (lumen)
A
=
luas bidang permukaan (m2)
Apabila suatu sumber cahaya di tempatkan pada pusat bola, maka persamaan 2.15 disubtitusikan ke persamaan 2.16. menjadi : ~
E=
4πI c A
( 2.17 )
Karena luas permukaan bola adalah 4πr2 (r adalah jari-jari bola) maka : ~
E=
4πI c 4πr 2
( 2.18 )
Umumnya bidang yang diterangi bukanlah permukaan bola, sehingga persammaan di atas hanya berlaku untuk satu titik tertentu (Titik P) dari bidang tegak lurus yang diterangi seperti pada gambar 2.2. (S adalah titik sumber cahaya), sehingga : ~
EP =
Ic
( 2.19 )
h2
~
Di mana
:
EP
=
intensitas penerangan di titik P(lux)
Ic
=
intensitas cahaya (cd)
h
=
jarak dari sumber cahaya ke titik penerangan pada bidang (m)
15
θ
Gambar 2.4. Posisi sumber cahaya terhadap titik penerangan
Apabila titik Q mempunyai jarak r terhadap sumber cahaya S, seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.4, maka intensitas penerangan di titik Q adalah :
Ic r2
( 2.20 )
Ic h + l2
( 2.21 )
karena h = r cosθ atau r = h cosθ
( 2.22 )
~
EQ = ~
EQ =
2
maka persamaan 2.20 menjadi : Ic
~
EQ =
(h cosθ )2
EQ =
Ic cos 2 θ 2 h
~
~
~
E Q = E P cos 2 θ
( 2.23 )
( 2.24 )
( 2.25 )
16
2.6. Luminasi Luminasi adalah suatu ukuran untuk terang dari suatu benda. Luminasi yang terlalu besar akan menyilaukan mata, seperti lampu pijar tanpa armatur. Luminasi L dari suatu sumber cahaya adalah intensitas cahaya dibagi luas semu
permukaan, yaitu :
L=
Ic As
Di mana
( 2.26 ) :
L
=
luminasi (cd/cm2)
Ic
=
intensitas cahaya (cd)
As
=
luas permukaan semu (cm2)
Luas permukaan semu adalah luas proyeksi sumber cahaya pada suatu bidang rata tegak lurus pada arah pandang, bukan luas permukaan keseluruhan. Sebagai contoh, benda berbentuk bola, luas permukaan semunya adalah luas lingkaran bola.
2.7. Penerangan Jalan Raya Penerangan jalan umum dibuat untuk mempermudah dan membantu manusia dalam melihat obyek di jalan pada waktu malam hari atau suasana gelap. Penerangan jalan umum mempunyai 3 fungsi, yaitu sebagai fungsi keamanan, fungsi ekonomi dan fungsi estetika. Keamanan pengguna jalan berkaitan dengan kuat penerangan sesuai dengan kecepatan kendaraan, serta kerataan penerangan pada bidang jalan. Kebutuhan daya penerangan pada suatu ruas jalan sangat bervariasi tergantung pada geometri permukaan jalan, lampu yang digunakan dan faktor refleksi permukaan jalan. Fungsi ekonomi jalan berkaitan dengan distribusi
17
barang serta kelancaran mobilitas pengguna jalan. Fungsi estetika berkaitan dengan keindahan jalan dan kenyamana pengguna jalan. Penerangan jalan mempertimbangkan beberapa aspek, antara lain : 1. Kuat penerangan Besarnya kuat penerangan didasarkan pada kecepatan maksimal yang diizinkan terhadap kendaraan yang melaluinya. 2. Distribusi cahaya Kerataan cahaya pada jalan raya sangat penting, di mana faktor kerataan cahaya adalah perbandingan kuat penerangan pada bagian tengah lintasan kendaraan dengan pada tepi jalan. Sebagai nilai acuan, perbandingan tersebut tidak lebih dari 3:1 3. Tingkat kesilauan cahaya Cahaya yang menyilaukan dapat menyebabkan keletihan mata, perasaan tidak nyaman dan kemungkinan kecelakaan. Untuk mengurangi silau digunakan akrilik atau gelas pada armatur yang berfungsi sebagai filter cahaya. 4. Arah pancaran cahaya dan pembentukan bayangan. Sumber penerangan untuk jalan raya dipasang menyudut 50 hingga 150. 5. Warna dan perubahan warna Warna cahaya lampu pelepasan gas tinggi khususnya lampu merkuri berpengaruh terhadap warna tertentu, misalnya warna merah. 6. Lingkungan Lingkungan berkabut maupun berdebu mempunyai faktor absorsi terhadap cahaya yang dpancarkan oleh lampu. Cahaya kuning kehijauan mempunyai panjang gelombang paling sensitif terhadap mata, sehingga tepat digunakan pada daerah berkabut. Lampu SON atau SOX tepat untuk penerangan jalan pada daerah tersebut.
Terdapat lima klasifikasi jalan beserta kuat rata-ratanya, seperti yang diperlihatkan pada tabel berikut ini.
18
Tabel 2.2. Kuat penerangan pada setiap jenis jalan No
Kuat Penerangan
Jenis Jalan
Rata-rata
1
Jalan bebas hambatan atau TOL
> 20 Lux
2
Jalan Utama, jalan yang menuju atau melingkar
15 – 20 Lux
kota 3
Jalan penghubung, percabangan jalan utama
7 – 10 Lux
4
Jalan Kampung atau lokal
3 – 5 Lux
5
Jalan Setapak atau gang
3 – 5 Lux
Kehilangan cahaya pada sumber penerangan jalan dipengaruhi oleh dua faktor, yaitu : 1. Penurunan kemampuan sumber penerangan (lampu dan armatur) karena pemakaian 2. Pengotoran terhadap armaturnya, dapat disebabkan pengotoran maupun perubahan sifat lastik maupun prismatik penutup armatur.
Tabel 2.3. Faktor kehilangan cahaya pada lampu penerangan jalan raya Waktu Pemakaian (Tahun)
Keadaan Lingkungan 1
2
3
Sangat Bersih
0,98
0,94
0,93
Bersih
0,95
0,92
0,90
Sedang
0,92
0,87
0,84
Kotor
0,87
0,81
0,75
Sangat Kotor
0,72
0,63
0,57
19
2.8.
Lampu Listrik Di alam semesta terdapat dua buah macam sumber cahaya, yaitu sumber
cahaya alami matahari dan sumber cahaya buatan, salah satunya adalah lampu listrik. Lampu listrik adalah lampu yang mengeluarkan atau menghasilkan cahaya apabila disambungkan terhadap sumber tenaga listrik. Lampu listrik mulai digunakan sekitar tahun 1810, di mana pada saat itu lampu yang digunakan adalah lampu busur yang menggunakan karbon sebagai elektrodanya. Pada tahun 1877 Thomas Alfa Edison menggunakan lampu pijar untuk pertama kalinya. Di dalam perkembangannya, lampu listrik digolongkan dalam tiga kategori berdasarkan prinsip kerjanya, yaitu : 1. Lampu Pijar (Incandescent Lamp) 2. Lampu Tabung atau Lampu Pelepasan Gas (Discharge Lamp) 3. Lampu Electroluminescent.
2.8.1. Lampu Pijar Lampu pijar atau Incandescent Lamp adalah lampu yang menghasilkan cahaya akibat memijarnya filamen. Lampu pijar tergolong lampu listrik generasi awal yang masih digunakan hingga saat ini. Jenis – jenis lampu yang termasuk lampu pijar adalah lampu pijar dengan filamen tungsten (sering dikenal dengan bohlam), lampu pijar dengan filamen karbon, lampu halogen dan lampu reflektor. Sejarah lampu pijar dimulai kira-kira tahun 1765, di mana seorang warga negara Inggris yang bernama Lord Londsdale menyalurkan gas batu bara dari pabrik batu bara ke kantornya untuk keperluan penerangan. Kemudian Welsbach
20
mengembangkan penerangan dengan prinsip pemijaran dengan menggunakan mantel
sebagai
bahannya.
Pada
tahun
1810
Sir
Hamprhrey
Davy
mendemonstrasikan busur api karbon dan pemasangan instalasi permanen yang pertama busur api sebagai lampu listrik. Perkembangan selanjutnya seorang Inggris bernama Frederik De Moleyns pada tahun 1840 menemukan cara terbaru membuat lampu yang terdiri dari dua kawat platina yang kedua ujungnya mengeluarkan cahaya. Pada tahun 1872, seorang Rusia menemukan lampu pijar menggunakan grafit yang diopersikan dalam suatu globe yang diisi gas netrogen. Lampu pijar pertama yang dianggap paling berhasil adalah hasil temuan Thomas Alfa Edison pada tahun 1877 dan lampu tersebut dapat digunakan secara maksimal.
Gambar 2.5. Konstruksi lampu pijar
21
Cahaya yang dikeluarkan oleh lampu pijar berdasarkan prinsip pemijaran, sehingga lampu ini panas sebagai akibat pemijaran filamen. Ketika terdapat arus listrik yang mengalir melalui filamen yang mempunyai resistivitas tinggi, sehingga menyebabkan kerugian tegangan, selanjutnya akan menyebabkan kerugian daya yang menyebabkan panas pada filamen sehingga filamen akan berpijar. Bola lampu pijar dibuat hampa udara atau diisi gas mulia. Temperatur kerja filamen yang berpijar dapat mencapai 25000C hingga 30000C, sehingga umur lampu pijar ini cukup pendek (hanya kira-kira 1000 jam). Daya yang didesipasikan P (watt) oleh filamen lampu pijar, dipengaruhi oleh tegangan kerja V (volt) dan resistansi filamen pada kondisi panas R (ohm), di mana : P=
V2 R
( 2.27 )
2.8.2. Lampu Tabung Lampu tabung (Tubelair Lamp, TL) atau lampu pelepasan gas (Discharge Lamp) adalah lampu listrik yang mengeluarkan cahaya akibat adanya pelepasan elektron (electron discharge). Berdasarkan jenis gas yang digunakannya, lampu tabung dibagi menjadi dua, yaitu : 1. Lampu merkuri, yaitu lampu tabung yang menggunakan gas merkuri untuk pelepasan elektronnya dalam menghasilkan cahaya. Lampu merkuri ini di golongkan menjadi dua jenis, yaitu lampu merkuri tekanan rendah dan lampu merkuri tekanan tinggi
22
2. Lampu sodium yaitu lampu tabung yang menggunakan gas sodium (natrium) untuk pelepasan elektronnya dalam menghasilkan cahaya. Lampu sodium ini di golongkan menjadi dua jenis, yaitu lampu sodium tekanan rendah dan lampu sodium tekanan tinggi Lampu Flouresen adalah lampu tabung merkuri tekanan rendah, karena selain gas floresen pada tabung lampu tersebut juga dimasukkan gas merkuri dengan tekanan rendah, sekitar 0,4 Pa. Berdasarkan cara kerjanya, rangkaian lampu tabung dibedakan menjadi dua, yaitu rangkaian dengan starter (Switch-start Circuit) dan rangkaian tanpa stater. Stater lampu tabung terdiri dari bimetal yang diletakkan di dalam tabung gelas kecil dan diisi dengan gas argon. Dala keadaan tidak bekerja (off) bimetal stater membuka, karena stater ini berfungsi sebagai tombol Normally Open NO. Kapasitor C dan resistor R yang ditempatkan dalam tabung luar stater berfungsi untuk mengurangi interferensi radio. Selain starter, pada lampu tabung juga dilengkapi ballast, yaitu suatu alat yang berfungsi untuk membatasi arus apabila lampu sudah menyala normal. Ballast lampu tabung terdiri dari induktor yang dihubungkan seri dengan salah satu elektroda.
Gambar 2.6. Konstruksi Lampu Tabung
23
Prinsip kerja dari lampu tabung dimulai ketika saklar dalam posisi terhubung, maka starter akan menerima tegangan kerja penuh yang membuat bimetal terhubung satu dengan yang lain sebagai hasil dari terjadinya panas dalam tabung starter sehingga terjadi hubungan tertutup. Sehingga arus mengalir melalui ballast, elektroda pertama, starter, elektroda kedua dan kembali ke netral. Saat arus mengalir melalui bimetal, temperatur dalam tabung gelas starter akan turun seperti semula (dingin) dan bimetal terlepas kembali ke posisi semula, sehingga akan menjadi hubungan terbuka. Pada saat arus mengalir melalui elektroda, maka elektroda akan panas dan memijar sehingga gas argon yang ada di dalam tabung lampu menjadi terionisasi.
Gambar 2.7. Rangkaian lampu tabung
Dengan terlepasnya bimetal, tegangan induktif yang cukup tinggi kira-kira 1000 volt dibangkitkan dalam rangkaian lampu. Tegangan kejut ini mampu untuk membuat terjadinya pelepasan elektron dalam gas berlangsung secara kontinu, dari elektroda satu ke elektroda yang lainnya. Panas yang dibangkitkan dalam tabung akibat terionisasinya gas argon dapat membuat gas merkuri menjadi uap. Selain itu, tegangan jepit antar elektroda akan turun menjadi 100 atau 110 volt,
24
dan tegangan ini tidak akan cukup untuk membuat starter bekerja. Pelepasan elektron yang terjadi melalui uap merkuri akan membangkitkan radiasi ultraviolet. Radiasi ultraviolet ini akan diubah menjadi cahaya nampak oleh lapisan fluoresen.
2.8.3. Lampu Electroluminescent. Lampu elektroluminescent adalah lampu yang menghasilkan cahaya karena adanya emisi cahaya hasil dari eksitasi di dalam suatu padatan. Efek tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan medan listrik pada bahan kristalin yang mempunyai sifat pemendaran khusus dan dapat dikontrol. Hingga saat ini, hanya terdapat dua sumber cahaya elektroluminescent, yaitu Ligth Emiting Diode (LED) dan panel elektroluminescent. LED adalah bahan semikonduktor yang mengeluarkan cahaya ketika arus listrik melaluinya. Sebagaimana dioda, LED terdiri dari pasangan bahan semikonduktor P dan N. Bila sumber arus searah diberikan pada LED, maka lubang (hole) akan mengalir ke arah N dan elektron akan mengalir ke arah P. Cahaya yang dihasilkan LED bermacam-macam sesuai dengan bahan semikonduktor yang digunakannya. Panel elektroluminescent adalah sumber cahaya datar yang cahayanya merupakan emisi bahan –bahan dielektrik sehingga sumber cahaya ini dapat pula dikatakan sebagai ligth-emiting capasitor. Dasar pemikirannya,serbuk fluoresen dapat diaktifkan oleh medan listrik baik yang disebabkan oleh arus searah maupn arus bolak-balik.
25
2.9. Lampu HPL – N Lampu HPL – N adalah jenis lampu merkuri fluoresen bertekanan tinggi, di mana lampu jenis merupakan keluarga lampu tabung. HPL – N adalah nama produk dari lampu jenis merkuri fluoresen yang dikenal di Eropa. Di Inggris dan Australia lampu merkuri fluoresen bertekanan tinggi dikenal dengan nama MBF, di Amerika dikenal dengan nama HX dan DX, sedangkan di Jepang lebih dikenal dengan nama HF.
Gambar 2.8. Konstruksi Lampu Merkuri Tekanan Tinggi (HPL – N)
Prinsip kerja lampu merkuri sama dengan prinsip kerja lampu tabung fluoresen, di mana cahaya yang dihasilkan berdasarkan terjadinya lucutan elektron (electron discharge) di dalam tabung lampu. Konstruksi lampu merkuri berbeda
26
dengan konsruksi lampu fluoresen. Lampu merkuri terdiri dari dua tabung, yaitu tabung dalam yang disebut Arc Tube dan tabung luar yang disebut bohlam (Bulb). Tabung dalam diisi merkuri yang berguna untuk menghasilkan radiasi ultraviolet dan gas argon yang berfungsi untuk keperluan starting. Sedangkan bohlam luar berfungsi sebagai tabung dn menjaga kestabilan suhu di sekitar tabung. Lampu merkuri merupakan keluarga lampu tabung, sehingga pada lampu ini harus dipergunakan ballast untuk membatasi arus listrik. Biasanya ballast lampu merkuri berupa reaktor autotrafo, tergantung dari karakteristiknya. Lampu merkuri bekerja pada daya yang rendah. Pada dasarnya, jenis sinar yang dihasilkan oleh lampu merkuri adalah dominan radiasi ultraviolet yang harus diubah menjadi cahaya tampak (Visible light) dengan cara melapisi dinding bagian dalam bohlam dengan serbuk phospor, sama halnya dengan lampu fluoresen. Lampu merkuri membutuhkan 5 – 7 menit untuk dapat menyala normal, hal ini disebabkan tekanan gas di dalam tabung membutuhkan waktu tertentu untuk memungkinkan terjadinya pengionisasian merkuri untuk menghasilkan radiasi ultra violet. Apabila lampu dimatikan, kemudian dinyalakan kembali, akan membutuhkan waktu lebih lama dari pada waktu yang dibutuhkan untuk penyalakkan norma, yaitu sekitar 5 – 10 menit. Hal ini disebabkan oleh adanya tekanan tinggi di dalam tabung saat lampu dimatikan, sehingga tidak memungkinkan untuk starting kembali. Apabila tekan gas sudah turun kembali dalam waktu tertentu, maka starting mulai dapat berlangsung kembali.
27
Lampu HPL – N atau lampu merkuri bertekanan tinggi fuoresen mempunyai umur rata-rata 12.000 jam sampai 20.000 jam. Sedangkan fluks cahaya yang dihasilkan berkisar antara 1.800 lumen sampai 54.200 lumen. Karena colour renderingnya cukup baik, sehingga lampu ini baik digunakan untuk penerangan jalan umum dan industri.
2.10. Lampu SON – T Lampu sodium tekanan tinggi lebih sering disebut lampu SON – T . Prinsip kerjanya sama dengan lampu sodium tekanan rendah atau SOX – E, yaitu berdasarkan pelepasan elektron di dalam tabung lampu. Lampu sodium tekanan tinggi SON maupun sodium tekanan rendah SOX adalah keluarga lampu tabung atau discharge lamp. Sesuai dengan namanya, lampu ini mempunyai tekanan gas di dalam tabungnya kira-kira 250 mm Hg, sehingga temperatur kerja tabung lampu ini juga tinggi.
Gambar 2.9. Konstruksi Lampu Sodium Tekanan Tinggi (SON – T)
28
Lampu sodium tekanan tinggi terdiri dari dua tabung, yaitu tabung gas atau arc tube, dan tabung luar atau bohlam. Tabung gas terbuat dari bahan yang tahan terhadap uap sodium yang harus bekerja pada temperatur tingi, misalnya stellox. Di dalam tabung gas diisikan sodium dan merkuri. Merkuri berfungsi untuk menaikkan tekanan gas dan tegangan kerja lampu sampai batas tertentu. Selain sodium dan merkuri, di dalam tabung gas juga dimasukkan gas mulia Neon untuk keperluan starting. Bohlam luar terbuat dari gelas yang sama sekali terpisah dari udara luar. Bohlam ini berfungsi untuk mencegah tabung gas dri kerusakan akibat bahan kimia dan juga berfungsi untuk mempertahankan kestabilan temperatur tabung gas. Karena diameter tabung gas terlalu kecil, maka lampu sodium tekanan tinggi tidak mempunyai elektroda bantu seperti pada lampu merkuri. Untuk keperluan starting, diperlukan campuran gas argon, xenon serta penambahan perlengkapan start diluar tabung gas. Lampu sodium tekanan tinggi membutuhkan waktu kirakira sampai 10 menit untuk dapat menyala normal. Hal ini disebabkan sodium di dalam tabung gas membutuhkan pemanasan awal sampai dapat menghasilkan cahaya yang sebenarnya. Sedangkan untuk penyalaan ulang, lampu sodium tekanan tinggi akan membutuhkan waktu yang lebih singkat dari pada penyalaan normal, karena gas dalam tabung masih dalam keadaan panas tinggi saat lampu dimatikan. Sekalipun merkuri dimasukkan ke dalam tabung gas pada lampu sodium tekanan tinggi, hal ini bukan berarti merkuri akan mempengaruhi cahaya ang dihasilkan lampu. Karena temperatur dalam tabng gas mencapai 3000 K, di mana
29
hanya sodium yang mampu untuk memancarkan cahaya, sedangkan merkuri membutuhkan temperatur 4000 K. Sehingga cahaya lampu yang dihasilkan berwarna putih emas dengan panjang gelombang terbentang sepanjang spektrum cahaya tampak. Lampu SON – T atau lampu sodium tekanan tinggi mempunyai efisiensi yang baiksekitar 90 sampai 120 lm/watt serta mempuyai umur 12.000 – 20.000 jam. Lampu ini sesuai untuk penerangan jalan umum, namun lampu ini mempunyai colour rendering yang rendah, sehingga perubahan warna obyek ang disinari sangat besar.
2.11.
Energi Listrik Yang Diserap Oleh Lampu Energi adalah daya kerja yang telah digunakan dalam satu satuan waktu,
sehingga :
W = P.t Di mana
( 2.28 )
W
=
Energi (Joule)
P
=
Daya (Watt)
t
=
waktu (detik)
Daya listrik lebih sering menggunakan satuan kWatt dan dalam satuan waktu jam (hours), sehingga persamaan 2.28 menjadi : P t kWH x 1000 3600
( 2.29 )
W = 2,78.10 −7 Pt kWH
( 2.30 )
W =
Dari persamaan 2.30 didapatkan bahwa energi listrik 1 Joule sama dengan 2,78.10-7 kWH, atau sebaliknya energi listrik 1 kWH sama dengan 3,6.106 Joule.
30
Karena PLN menjual energi listrik kepada konsumen menggunakan daya kompleks VA, maka energi listrik yang diserap oleh lampu adalah :
W = S .t W = Di mana
( 3.31 )
P .t pf :
( 3.32 )
S
=
daya kompleks (VA)
t
=
waktu (detik)
pf
=
faktor daya
Apabila digunakan satuan kW untuk daya listriknya dan dalam satu satuan waktu jam, maka energi yang diserap oleh lampu adalah : W =
kW x jam pf
=
kWH pf
W = kVAH
2.12.
( 3.33 ) ( 3.34 )
Biaya Penggunaan Lampu Biaya penggunaan lampu adalah energi yang diserap lampu dikalikan
dengan tarif energi per kWHnya, maka : Biaya = W x tarif
( 3.35 )
kWH x tarif pf
( 3.36 )
Biaya = kVAH x tarif
( 3.37 )
Biaya =
31
