BAB III PERANCANGAN SISTEM
Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.
Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan
3.1. Mekanik Pada bagian mekanik ini dimulai dengan tuas yang ditarik oleh pemakai yang akan menarik dan menggerakkan gear-gear dimana torsi dikuatkan secara mekanis dengan susunan gear yang akan menentukan kecepatan putar generator. Gambar 3.2 menunjukkan perancangan mekanik, dan Gambar 3.2 menunjukkan realisasi mekanik.
15
Gambar 3.2. Perancangan Mekanik Mekanik memiliki dimensi panjang 200 cm, lebar 100 cm, dan tinggi 200 cm. Dimensi mekanik ini sekaligus menjadi dimensi keseluruhan alat.
Gambar 3.3. Realisasi Mekanik Pada saat proses penarikan, dengan menggunakan persamaan 2.4, energi potensial yang dihasilkan alat ini adalah
(3.1) (3.2)
16
Dimana : m = Massa beban rata-rata (Kg) g = Gravitasi Bumi (m/det2) h = Tinggi tarikan (meter) Pada saat pemakain melakukan proses penarikan, rantai akan memutar tuas cakram yang ditunjukkan oleh Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Gear Pegas Dengan melakukan pendekatan, dapat diketahui besarnya energi kinetik pada gear akibat energi potensial yang dihasilkan ketika tuas mulai ditarik. Ilustrasi pada cakram ditunjukkan oleh Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Ilustrasi pada Gear Pegas Variabel R merupakan jari-jari cakram, yaitu 7,5 cm. Sedangkan S merupakan jarak tempuh tuas akibat tarikan dari tuas di mana terukur 50 cm. Dengan persamaan 2.5 maka akan diperoleh ϴ=s/r (3.3) (3.4) 17
Bila satu tarikan untuk menghasilkan nilai s membutuhkan waktu rata-rata 1 detik, sebab tiap tarikan pemakai berbeda-beda, maka kecepatan sudut rata-rata dengan menggunakan persamaan 2.6 adalah
(3.5) (3.6) Dimana 1 rpm = 0,1047 rad/detik, maka (3.7) Dengan menggunakan rumus perbandingan roda gigi 2.9
(3.8) (3.9) (3.10) (3.11) Dengan rasio 1 : 5,88 kali, tuas mengalami kesulitan ketika ditarik untuk memutar gir pegas yang menuju girboks. Maka dari itu diganti dengan gir yang lebih kecil, sehingga realisasi percepatan girboks adalah (3.12)
(3.13)
(3.14) (3.15) 18
Dengan demikian kecepatan akhir setelah girboks adalah ɷakhir = ɷrat GR ɷakhir = 6,67 4,41
(3.16)
ɷakhir = 29,4 rad/detik
(3.17)
Berdasarkan persamaan 2.8, dapat dihitung energi kinetik dari mekanik ini sebagai berikut Ek = ½ (½ m r2) ω2 Ek = ½ (½ 5 0,22) 29,42
(3.18)
Ek = 43,2 Joule
(3.19)
Dengan mengetahui nilai energi potensial dan kinetik dari mekanik maka efisiensi mekanik adalah (3.20) (3.21) (3.22) Dari perhitungan 3.22 didapati bahwa efisiensi mekanik yang dirancang adalah adalah 29,3%
3.2. Generator Generator yang akan dibuat pada tugas akhir ini merupakan generator AC, dimana kumparan tempat terbentuknya GGL merupakan bagian yang diam (stator) dengan magnet yang bergerak (rotor). Magnet yang digunakan merupakan magnet Neodymium dengan ketebalan 3 mm dan diameternya 2,5 cm. Magnet ini disusun pada rotor untuk memenuhi ruangan di tengah kumparan. Realisasi generator ditunjukkan oleh Gambar 3.6(a) dan 3.6(b).
19
(a)
(b) Gambar 3.6(a). Rotor dan Stator 3.6(b). Realisasi Generator Stator pada generator ini menggunakan lilitan tembaga dengan diameter 0,25mm. Diameter penampang kumparan adalah 3,2 cm sehingga luas tiap penampang 8 cm2, terdiri dari 12 buah kumparan, tiap kumparan 1.500 buah lilitan. Nilai densitas flux magnetik 0,46 Tesla. Kecepatan rotor dari perhitungan 3.17 adalah 20 rad/detik. Dengan persamaan 2.10 akan didapatkan Ɛ=NBAɷ Ɛ= 1.500 0,46 (12 8 10-4) 29,4
(3.23)
Ɛ =195,8 volt
(3.24)
20
3.3. Konverter Modul konverter ini berisi rangkaian-rangkaian yang akan digunakan untuk mengolah keluaran generator agar dapat dipakai untuk proses penyimpanan energi. Ada 2 bagian konversi dalam modul ini, yang pertama konversi dari tegangan AC menjadi DC dan konversi tegangan DC menjadi DC. Bagian konverter ini ditunjukkan oleh blok diagram dalam Gambar 3.7. Konverter DC - DC
Konverter AC - DC
Rangkaian Pemilih
Konverter Penaik Tegangan (Boost Converter) Konverter Penurun Tegangan (Buck Converter)
(a)
(b)
Gambar 3.7(a). Blok Diagram Konverter 3.7(b). Realisasi Konverter
3.3.1. Konverter AC - DC Rangkaian ini dimaksudkan untuk mengubah keluaran generator yang berupa tegangan AC menjadi tegangan DC. Komponen utama dalam rangkaian ini adalah transfomator dan
dioda schottky yang disusun menjadi penyearah gelombang penuh
sistem jembatan. Penyusunan rangkaian ditunjukkan oleh Gambar 3.8.
1kHz
T1
D1
D4 DC-DC Co
D2
D3
+
Generat -300/300V
C1 100uF
Gambar 3.8. Penyearah Jembatan Penuh Tegangan yang dihasilkan oleh generator adalah sekitar 100 atau 300
sampai 600
sampai 220
. Oleh karena itu, dibutuhkan transformator step down untuk 21
menurunkan tegangan menjadi sekitar 12 volt, sebab untuk buck converter membutuhkan tegangan DC masukan antara 12 volt sampai 30 volt . Dengan perhitungan tegangan generator yang dihasilkan adalah 202
maka dengan menggunakan persamaan
transformator akan didapatkan tegangan outputnya[14]. (3.25)
(3.26)
(3.27) Tegangan Primer 110 volt Tegangan Sekunder 12 volt Lilitan Primer Lilitan Sekunder Dari persamaan 3.27 maka dapat diketahui tegangan outputnya adalah (3.28)
(3.29) (3.30)
atau 30
dengan menggunakan persamaan 2.13 dan VF
adalah tegangan buka dioda schotky [15] maka tegangan DC yang dihasilkan adalah Vdc = 0,636 (VP – 2VF) Vdc = = 0,636 (30 – 2 x 0,5) Vdc = 18,5 volt 22
(3.31) (3.32)
3.3.2. Konverter DC – DC 3.3.2.1. Rangkaian Pemilih Keluaran generator yang sudah disearahkan tetap mengalami fluktuasi, sehingga ada kemungkinan daya yang terbuang ketika tegangan keluaran generator lebih besar atau lebih kecil dari tegangan pengisian aki. Rangkaian ini yang berfungsi untuk memilihkan secara otomatis apakah tegangan masukan perlu dinaikkan atau diturunkan untuk mencapai tegangan pengisian aki. Skema rangkaian pemilih ini di tunjukkan oleh Gambar 3.9.
Gambar 3.9. Skema Rangkaian Pemilih Dalam rangkaian ini, zener dimanfaatkan sebagai regulator rangkaian komparator dengan membuatnya bekerja pada daerah breakdown voltage. Arus minimum yang dibutuhkan zener untuk bekerja dipenuhi oleh nilai Rs. Rangkaian zener ditunjukkan oleh Gambar 3.10. VAKI1 13.2 - 10.2 v +V 1K Rs1 Zener1 MMSZ6V2T1
Gambar 3.10. Rangkaian Zener 23
Perhitungan nilai Rs ditunnjukkan sebagai berikut. (3.33) Dengan Izmin=0,25mA tanpa beban dan asumsi arus yang diinginkan 4mA, maka nilai Rs minimum adalah (3.34) (3.35) Nilai Rs yang harus dipasang adalah 1Kohm. Pada komparator, yang dibandingkan adalah tegangan masuk dengan refrensi dengan skala 1:3. Pada tegangan refrensi diberikan nilai 4,6 V yang merupakan 1/3 dari tegangan pengisian aki yaitu 13,8 V. Tegangan masukan dibuat 1/3 dari nilai aslinya dengan devider tegangan seperti pada Gambar 3.12. Ketika tegangan masukan lebih kecil dari tegangan refrensi maka komparator akan menghasilkan nilai keluaran negatif yang tersambung dengan ground. Keluaran bernilai low ini akan membuat transistor cut-off sehingga relay tidak aktif. Pada saat relay tidak aktif maka pin COM(common) pada relay terhubung pada pin NC(Normally Closed). Pin NC yang terhubung dengan rangkaian penaik tegangan, membuat tegangan DC menuju kepada rangkaian penaik tegangan yang diwakili oleh label LM 2577 dalam gambar 3.12 untuk diolah lebih lanjut. Sebaliknya ketika tegangan masukan lebih besar dari tegangan refrensi maka komparator akan menghasilkan nilai keluaran positif yang tersambung dengan zener. Keluaran bernilai high ini akan membuat transistor saturasi sehingga relay menjadi aktif. Pada saat relay aktif maka pin COM pada relay terhubung pada pin NO(Normally Open). Pin NO yang terhubung dengan rangkaian penurun tegangan, membuat tegangan DC menuju kepada rangkaian penurun tegangan yang diwakili oleh label LM 2576 dalam gambar 3.12 untuk diolah lebih lanjut.
3.3.2.2. Konverter Penaik Tegangan Konverter penaik tegangan (boost converter) dalam perancangan ini menggunakan IC LM2577-Adj[16]. Konverter ini berfungsi untuk menaikkan tegangan ketika tegangan 24
keluaran generator berada di bawah tegangan refrensi. Rangkaian penaik tegangan yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.11 berikut.
Gambar 3.11. Rangkaian Penaik Tegangan[16] Arus maksimum keluaran IC ini dapat dihitung dengan persamaan 2.14 ILOAD (max) ≤ ILOAD (max) ≤ ILOAD (max) ≤ 0,53 A
(3.36) (3.37)
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan persamaan 2.15 VF adalah bernilai 0,5 volt yaitu, tegangan dioda schotky.[15] D(max) = D(max) =
(3.38)
D(max) = 0,79
(3.39)
Nilai minimum induktor untuk kestabilan regulasi dengan persamaan 2.16 E∙T= E∙T=
(3.40)
E ∙ T = 44,06
25
(3.41)
melalui persamaan 2.17
Kemudian mencari nilai
(3.42) (3.43) Dengan melihat grafik pada gambar 2.8 maka didapatkan nilai induktor adalah 68 uH.
Gambar 3.12. Pencarian Nilai Induktor Menggunakan RLCmeter Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dapat dihitung dengan persamaan 2.18 dan 2.20 sebagai berikut Rc ≤ Rc ≤
(3.44)
Rc ≤ 6.179 Ohm
(3.45)
Resistor yang digunakan adalah 5.600 Ohm, dengan menggunakan persamaan 2.19 Cc ≥
26
Cc ≥
(3.46)
Cc ≥ 80,6 nF
(3.47)
Nilai Cout berdasarkan persamaan 2.20 dan 2.21 berikut Cout ≥ Cout ≥
(3.48) Cout ≥ 794 uF
(3.49)
Dan Cout ≥ Cout ≥
(3.50) Cout ≥ 442 uF
(3.51)
Dalam datasheet nilai kapasitas minimum yang diambil adalah yang lebih besar yaitu 794 uF. Tegangan keluaran dari IC ini dapat dihitung dengan persamaan 2.22 berikut Vout = Vref (1 +
)
Vout = 1.23V (1 + 20440/2000)
(3.52)
Vout = 13,8 Volt
(3.53)
3.3.2.3. Konverter Penurun Tegangan Konverter penurun tegangan (buck converter) dalam perancangan ini menggunakan IC LM2576-Adj[17] . Konverter ini berfungsi untuk menurunkan tegangan ketika tegangan keluaran generator berada di atas tegangan referensi yaitu tegangan akumulator. Rangkaian penurun tegangan yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.12 berikut.
27
Gambar 3.13. Rangkaian Penurun Tegangan[17] Tegangan keluaran pada IC ini didapat dari persamaan 2.23 berikut Vout = Vref (1 +
)
Vout = 1,23 (1+ 20440 / 2000)
(3.54)
Vout = 13,8 Volt
(3.55)
Untuk nilai minimum induktor dapat dicari dengan persamaan 2.25 berikut
E ∙ T = (30 – 13,8)
∙
(3.56)
E ∙ T = 143,3 Vus
(3.57)
Dengan arus maksimum 1,5 A, maka nilai minimum induktor berdasarkan grafik pada gambar 2.1 adalah 330 uH. Nilai minimum dari kapasitor keluaran didapat dari persamaan 2.26 berikut
Cout ≥ 13300 Cout ≥ 87,61 uF
28
(3.58) (3.59)
3.4. Penyimpanan Energi Energi listrik yang telah melalui modul konverter telah siap untuk disimpan ke dalam akumulator. Akumulator yang di pilih merupakan akumulator (aki) kering 12V 5,5Ah seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.13.
Gambar 3.14. Akumulator Kering Untuk mengisi akumulator diserikan dengan 2 dioda untuk mencegah adanya tegangan balik dari akumulator yang masuk ke dalam rangkaian penaik maupun penurun tegangan.
Gambar 3.15. Skema Penyimpanan Energi Dengan aki 12V 5,5Ah maka energi total aki ketika penuh adalah. E aki = 12 V 5,5 Ah
(3.60)
E aki = 66 Wh
(3.61)
3.5. Penerangan Dengan asumsi aki dalam kondisi penuh(3.61), maka lamanya lampu dapat menyala adalah Waktu lampu = E aki / P lampu
(3.62)
Waktu lampu = 66 / 2,5
(3.63)
Waktu lampu = 26,4 jam
(3.64)
29
Lampu yang digunakan merupakan lampu led 12V dengan daya 2,5 watt,ditunjukkan dengan Gambar 3.19 berikut
Gambar 3.16. Lampu LED 2,5 Watt
3.6. Pemandu Otomatis Pemandu otomatis ini terintegrasi dalam sebuah board yang berukuran cm x cm x cm yang terdiri atas mikrokontroler, LCD, keypad, sensor RPMmeter, sensor photodiode, pengatur brightness LCD, dan pengatur buzzer sebagai pengingat.
Gambar 3.17. Keseluruhan Bagian Mikrokontroler
3.6.1. Mikrokontroler Pada tugas akhir ini mikrokontroler digunakan sebagai pemandu otomatis dalam melakukan aktivitas fitness pada pusat kebugaran. Dalam aktivitasnya pada satu alat fitness dilakukan olahraga 3 sampai 4 set. Pada tiap set-nya terdapat diperlebar menjadi 816 tarikan dari 10 tarikan.[3] Selain itu, setiap senggang set terdapat waktu istirahat 1-2 menit.[5] Prakteknya, ada kesulitan untuk mengingat perhitungan tersebut, sehingga 30
diperlukan pemandu otomatis yang mengingatkan setiap gerakan repetisi, set dan timer waktu istirahat. Untuk pendeteksi jumlah set yang sudah dilakukan oleh pemakai dibantu menggunakan sensor photodiode dan LED infrared. Semua pengaturan, perhitungan dan timer akan di tampilkan pada layar LCD. Kemudian untuk penghematan energi, layar dibuat otomatis mati, dan ketika ditekan satu tombol khusus, maka LCD akan terang untuk beberapa saat. Berikut adalah flowchart mikrokontroler.
Gambar 3.18. Flowchart Software Mikrokontroler Alat mikrokontroler ini juga digunakan untuk menghitung kalori yang dikeluarkan pada saat berolahraga. Perhitungan kalorinya adalah perkalian dari beban, konstanta gravitasi, jarak pengangkatan beban, jumlah set dan gerakan. Kemudian hasilnya adalah dalam satuan joule, dikonversi ke dalam satuan kalori. Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Mega2560 yang terdiri dari 54 input dan output digital, 16 port analog (ADC), bekerja di tegangan 5 volt, tegangan masukan 7-12 volt. [16] Yang dibutuhkan dalam tugas akhir ini yaitu 1 input analog, 8 31
input untuk keypad, 6 input untuk LCD, 2 input untuk dan 2 output untuk relay dan transistor.
Gambar 3.19. Arduino Mega2560
Tabel 3.1. Fungsi Setiap Port PORT
Fungsi
PORT 2
Input dari Infrared LED RPMmeter
PORT 5
Output sakelar Buzzer
PORT 6
Output sakelar kecerahan LCD
PORT 7-12
Output LCD
PORT 13
Input dari Phototransistor RPMmeter
PORT 23,25,27,29,31,35,37,39 PORT A15
Input dari Scanning Keypad Input analog, input dari Photodiode
Gambar 3.20. Blok Diagram Mikrokontroler
32
3.6.2. Sensor RPMmeter
Gambar 3.21. Sensor RPM Meter Sensor RPMmeter digunakan untuk menghitung jumlah putaran generator tiap menitnya. Tujuannya adalah untuk menghitung efisiensi mekanik maupun menghitung tegangan dan daya yang dapat dihasilkan generator. Q1 merupakan phototransistor yang akan menerima rangsangan sinar infra merah dari LED.[17] Sinar tersebut akan terhalang oleh bagian dari generator yang berputar dengan kecepatan sudut tertentu. VCC
Microcon R1 1k Microcon D1 LED0
Q1
Gambar 3.22. Rangkaian Sensor RPM Meter
3.6.3. Sensor Photodiode
Gambar 3.23. Sensor Photodiode Sensor photodiode digunakan untuk menghitung jumlah repetisi. Setiap gerakan tarikan pemakai akan dihitung. Tuas yang ditarik akan mengangkat kertas hitam yang akan
33
menutupi LED infra merah dan photodiode, dan nilai hambatan photodiode akan berubah, dan memberikan informasinya ke mikrokontroler. VCC 5V +V
R2 100
R1 10k Microcon
D2 LED0
D1
Gambar 3.24. Rangkaian Sensor Photodiode 3.6.4. LCD LCD yang dipakai dalam tugas akhir ini adalah LCD Crystal 16 x 2 karakter. Digunakan ukuran ini dengan maksud untuk memperkecil daya. Pencahayaan LCD dinyalakan pada saat memasukkan nilai set, repetisi, dan waktu istirahat, kemudian LCD pencahayaannya dipadamkan. Pemakai dapat mengaktifkan pencahayaan dengan cara menekan tombol pengaktifannya, dan LCD akan menyala selama 3 detik.
Gambar 3.25. LCD karakter 16 x 2 Terdapat rangkaian yang digunakan untuk menghemat daya tersebut dengan mengatur pencahayaannya pada gambar 3.25.
34
VCC 5V +V
R1 10k +
S1
C2 33uF
Q1 BC108BP LCD
Gambar 3.26. Rangkaian Pengatur Pencahayaan LCD
3.6.5. Keypad Keypad yang digunakan adalah keypad 16 tombol. Terdapat 10 tombol angka dari 0 sampai 9, tombol start, backspace, reset, dan enter dijelaskan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2. Fungsi Tombol Keypad Tombol
Fungsi
0-9
Input nilai angka
A : Start
Untuk mulai dari mode sleep (menu awal)
B : Backspace
Menghapus angka
C : Reset
Kembali ke menu awal
# : Enter
Menuju menu berikutnya
Gambar 3.27. Keypad
35
