PERANCANGAN LAMPU PORTABEL DENGAN BATERAI ISI ULANG MENGGUNAKAN LED Dimas Aria Adianto, Michael Jeremia Setiadi, Samuel Hadi Dwiputra, Wiedjaja Atmadja Universitas Bina Nusantara JL. K.H Syahdan No.9, Kemanggisan, Jakarta Barat 11480 Telp: +62 (21) 534 5830 Ext. 2205; Fax: +62 (21) 530 0244 email :
[email protected]
ABSTRAK Lampu konvensional masih sering dipakai untuk aktivitas perdagangan luar ruang pada malam hari di kawasan Jakarta dan sekitarnya, oleh sebab itu penggunaan lampu ramah lingkungan portabel dengan sistem keseluruhan yang baik diperlukan sebagai produk pilihan dalam berdagang untuk beralih menuju pencahayaan masa depan. Tujuan penelitian adalah merancang sistem lampu portabel terintegrasi sistem pengisian baterai. Sistem pengisian baterai mampu mengurangi arus pengisian saat baterai sudah terisi penuh. Simple battery charger digunakan pada perancangan sistem pengisian baterai ini, sedangkan perancangan synchronous buck converter akan digunakan untuk sistem pengendalian nyala lampu portabel. Pada percobaan yang dilakukan, simple battery charger mampu mengisi baterai dengan baik. Memasuki tegangan diatas 13 Volt, maka proses pengisian akan melambat. Hasil perancangan menunjukkan bahwa baterai VRLA dapat dicharge dengan menggunakan simple charger dengan suhu yang stabil, namun efisiensi daya battery charger tersebut sangat rendah yaitu sebesar 11,9%. Lampu LED yang dirancang, memiliki illuminance sebesar 330 lux. Modul pengendali lampu LED memiliki tingkat keberhasilan 0%. Efisiensi daya lampu LED menggunakan catu daya adaptor mencapai 17,9%. Kata kunci: lampu portabel, battery charger, LED driver, eisiensi daya
PENDAHULUAN Para pedagang di Indonesia yang berjualan pada malam hari menggunakan berbagai macam jenis lampu untuk pencahayaan. Pada pengamatan yang penulis lakukan di wilayah sekitar Universitas Bina Nusantara, Jakarta Barat, diketahui lampu yang digunakan oleh pedagang kaki lima, kebanyakan adalah lampu fluorescent dan pijar dengan sumber listrik AC yang berasal dari sambungan kabel tiang listrik yang disalurkan ke tempat dimana pedagang berjualan. Berbeda dengan pedagang kaki lima, pedagang keliling serta pedagang keliling yang merangkap sebagai pedagang kaki lima, menggunakan lampu yang lebih bervariasi. Lampu-lampu yang digunakan oleh pedagang seperti ini diantaranya adalah petromak, lampu minyak tanah, LED (Light Emitting Diode) portabel, dan lampu fluorescent. Memperhatikan penggunaan lampu petromak dan lampu minyak tanah yang menggunakan minyak tanah sebagai sumber energi lampu, tentunya tampak ketidakpedulian terhadap krisis minyak bumi di Indonesia mengingat jenis sumber daya alam ini sulit untuk diperbarui. Tingginya harga minyak tanah per liter untuk pemakaian satu hari tidak efisien jika dibandingkan dengan total energi cahaya yang dipancarkan dari jenis lampu petromak. Perkembangan teknologi lampu LED menciptakan banyak keuntungan dibandingkan lampulampu yang sudah ada sebelumnya, sehingga lampu jenis ini masuk dalam daftar lampu masa depan. Sekarang ini, lampu LED memiliki efficacy yang dapat bersaing dengan lampu fluorescent, bahkan bisa lebih besar. Pada penelitian sebelumnya, sudah diimplementasikan metode dimming pada penerangan ruangan menggunakan LED. Hardware yang digunakan antara lain : baterai 6,2 Volt sebagai catu daya, transistor BD139 sebagai driver pengendali dimmer, LED sebanyak 175 buah, dan mikrokontroler AVR sebagai pengatur duty cycle PWM untuk mengendalikan driver. Sistem yang
digunakan adalah close loop dengan algoritma untuk kendali dimmer (Masjanuar, Puspita, & Taufiqurrahman, 2011). Penelitian mengenai pencahayaan berikutnya mengimplementasikan metode boost converter untuk LED driver. Digunakan 15 buah high power LED sebagai output yang masingmasing LED dialiri 350mA yang mampu memberikan illuminance sebesar 4 lux pada ketinggian 1011 meter. (Shuwanto, Josses, Winardi, & Atmadja, 2013). Perancangan LED ini mencoba untuk meneliti ada atau tidaknya perbedaan yang signifikan antara lampu LED yang sudah diproduksi sebelumnya dengan lampu LED yang dirancang. Tujuan utama dari perancangan ini adalah untuk menciptakan lampu portabel beserta sistem pengisian baterai yang ekonomis.
METODE PENELITIAN Metode penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Mempelajari jurnal dan ilmu yang berkaitan dengan sistem pencahayaan, perancangan LED dan pengisian baterai 2. Merancang perangkat keras dan perangkat lunak 3. Metode percobaan menggunakan breadboard, simulasi, dan pemilihan komponen. Berikut ini merupakan diagram blok dari sistem:
Gambar 1 Diagram Blok Sistem Pada perancangan diagram blok, tegangan AC yang masuk adalah sebesar 230 V, dengan frekuensi 50 Hz. Transformer yang dipakai adalah transformer step down non-CT (tidak Center Tapped) 1 A, dengan tegangan primer maksimum sebesar 240 V dan tegangan sekunder maksimum sebesar 15 V. Penulis menggunakan tegangan primer maksimum yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC dan tegangan sekunder maksimum yang dihubungkan dengan rectifier pada rangkaian pengisian baterai. Rectifier yang digunakan berupa full wave rectifier untuk mengkonversi seluruh bentuk gelombang input menjadi gelombang dengan polaritas konstan pada ouput-nya baik positif ataupun negatif, guna mendapatkan tegangan DC rata-rata yang tinggi dengan ripple yang sedikit. Dioda bridge digunakan untuk membuat full wave rectifier pada transformer non-CT. Rangkaian filter seperti kapasitor digunakan untuk meminimalkan ripple dari rectifier dan mendapatkan tegangan DC yang mendekati ideal, sementara itu DC-DC voltage regulator digunakan untuk mendapatkan tegangan konstan yang dibutuhkan dalam proses pengisian baterai. Baterai terhubung ke linear regulator untuk mendapatkan tegangan yang dibutuhkan oleh mikrokontroler dan MOSFET driver. Baterai juga terhubung langsung ke DC-DC converter untuk memberikan tegangan asli baterai. Sistem memiliki pengaturan dimming yang didapatkan dari pengaturan dip switch sehingga nyala lampu dapat disesuaikan tingkat luminous flux-nya.
DC-DC converter yang digunakan untuk LED driver adalah synchronous buck converter. Converter ini berfungsi untuk menurunkan tegangan (step down) dari baterai. Tegangan baterai sebesar 12,6 volt akan diturunkan ke 10,5 volt. Tegangan yang lebih rendah ini akan digunakan untuk menyalakan lampu LED portabel. Lampu LED tersebut terdiri dari 45 buah LED yang tersusun dari 15 array dengan 3 LED pada masing-masing array tersebut. Tiap array dibatasi arus 23 mA, sehingga jumlah arus keseluruhan yang digunakan lampu LED adalah 345 mA. Rangkaian array lampu tersebut dihubungkan dengan resistor berukuran kecil untuk mengetahui berapa arus yang melewati rangkaian tersebut dengan mengecek tegangan yang jatuh pada resistor tersebut, sehingga apabila terjadi perubahan arus, rangkaian kontroler dapat menentukan langkah tepat yang harus dilakukan. Untuk mendapatkan tegangan output battery charger sesuai yang diinginkan maka perancangan modul harus memperhatikan penggunaan komponen, seperti melakukan pengecekan datasheet linear regulator yang digunakan. Perhitungan berapa lama baterai akan diisi sesuai kapasitasnya juga perlu diperhatikan. Pengambilan data illuminance LED dapat dilakukan menggunakan lux meter dengan menentukan tingkat ukur yang sama antara satu sumber cahaya yang dibandingkan dengan sumber cahaya lain. Pengukuran dapat dilakukan di ruangan gelap dengan jarak pengukuran yang sama.
HASIL DAN BAHASAN Pengujian sistem terdiri dari 2 bagian, yaitu uji coba battery charger dan uji coba pengendalian nyala lampu.
Pengujian Battery Charger Pengujian untuk charger baterai ini adalah pengujian tegangan keluaran tanpa beban baterai , pengujian pengisian baterai, dan pengujian efisiensi daya battery charger.
Pengujian Tegangan Keluaran Tanpa Beban Pengujian ini dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan tegangan output yang sesuai untuk mengisi baterai VRLA. Nilai resistor yang digunakan pada rangkaian regulator tegangan LM317 mampu merubah tegangan output. Resistor yang terhubung langsung dengan pin output regulator disebut R1, sedangkan yang berhubungan dengan R2 adalah yang tersambung dengan pin adjustment pada LM317.
Gambar 2 Grafik Tegangan Keluaran Terhadap Nilai R1 Garis yang berwarna biru adalah tegangan keluaran berdasarkan perhitungan dari rumus yang terdapat dalam datasheet LM317. Semakin besar nilai R1 maka tegangan output akan semakin kecil.
Garis yang berwarna merah adalah tegangan keluaran berdasarkan praktek, yaitu diukur dengan menggunakan multimeter digital. Tegangan keluaran yang didapatkan lebih rendah sekitar 1 Volt dibandingkan dengan tegangan keluaran yang dihitung berdasarkan teori. Bertambahnya hambatan R1 membuat tegangan keluaran berdasarkan praktek ini semakin kecil. Berdasarkan grafik tersebut, ditunjukkan bahwa nilai tegangan keluaran praktek mengikuti nilai tegangan keluaran yang diperhitungkan secara teori. Ketika hambatan diperbesar, maka nilai tegangan keluaran menurut perhitungan akan semakin kecil, begitu juga yang terjadi pada nilai tegangan keluaran pada prakteknya.
Pengujian Pengisian Baterai Pengujian ini dilakukan dengan tujuan untuk membuktikan bahwa pengisian berjalan dengan baik sesuai dengan teori pengisian baterai VRLA. Simple Charger digunakan dalam proses pengisian ini dengan tegangan keluaran sebesar 13,89 volt.
Gambar 3 Proses Charging
Proses pengisian yang diukur menggunakan voltmeter (multimeter digital) dapat dilihat. Selama pengisian, suhu baterai tetap stabil dan terjaga. Pengujian ini dilakukan dengan tujuan untuk membuktikan bahwa pengisian berjalan dengan baik sesuai dengan teori pengisian baterai VRLA. Simple Charger digunakan dalam proses pengisian ini dengan tegangan keluaran sebesar 13,89 volt.
Gambar 4 Grafik Tegangan Baterai Terhadap Lama Pengisian Baterai
Grafik tersebut memperlihatkan bahwa ketika tegangan baterai bernilai 12,57 volt dan dicharge, maka tegangan melonjak naik secara signifikan ke tegangan 13,04 volt selama 5 menit pertama. Nilai tegangan pada tiap 5 menit selanjutnya mulai berangsur mengalami kenaikan yang tidak signifikan. Secara perlahan tegangan baterai tersebut terus naik dan setelah 40 menit proses pengisian berlangsung, tegangan ada pada nilai 13,19 volt. Pengujian tambahan dilakukan untuk mengukur tegangan baterai apabila tegangan keluaran charger sebesar 14.02 volt. Pengukuran dilakukan setiap 1 menit sekali dan akan dilakukan pengukuran tegangan saat penghentian proses charging. Tegangan baterai naik lebih cepat dengan tegangan keluaran charger sebesar 14,02 volt dibandingkan dengan tegangan keluaran charger 13,89 volt
Gambar 5 Tegangan Baterai Saat Pengisian Berlangsung Dan Saat Pengisian Dihentikan Proses pengisian tersebut menunjukkan bahwa semakin besar perbedaan antara tegangan baterai dan tegangan keluaran charger pada saat pengisian, maka arus yang mengalir dari charger ke baterai juga semakin besar. Tegangan yang lebih besar akan membuat arus listrik mengalir ke tegangan yang lebih kecil.
Pengujian Efisiensi Daya Baterai Charger Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi daya battery charger menggunakan simple charger dengan rangkaian yang telah dirancang dengan implementasi linear regulator LM317. Berikut ini merupakan data yang menunjukkan perbandingan besar tegangan dan arus input terhadap besar tegangan dan arus output pada battery charger. Tabel 1 Tegangan Beserta Arus Pada Input Dan Output Battery Charger Tegangan Input (V)
Arus Input (I)
Tegangan Output (V)
Arus Output (I)
15 V
1000 mA
14.04 V
128 mA
Tabel 2 Efisiensi Daya Battery Charger Input Power (P)
Output Power (P)
Efficiency (η)
15 W
1.79 W
11.9%
Pengujian Pengendalian Nyala Lampu Pengujian untuk pengendalian nyala lampu ini adalah pengujian pencahayaan pada beberapa lampu atau sumber cahaya buatan dan pengujian efisiensi daya lampu LED
Pengujian Pencahayaan Pada Beberapa Lampu Pengujian ini berfungsi untuk melihat perbandingan lux dari beberapa jenis lampu yang diukur dengan lux meter di ruang gelap dan tertutup. Pada pengujian ini, rangkaian modul pengendali nyala lampu tidak bekerja dan tidak berhasil diimplementasikan untuk output baterai VRLA dan untuk
input lampu LED portabel, sehingga pengujian rancangan lampu LED portabel hanya menggunakan adaptor DC dengan tegangan 7,5 volt dan 9 volt.
Gambar 6 Grafik Perbandingan Besar Lux Beberapa Jenis Sumber Cahaya Pada pengujian illuminance lampu LED rancangan, digunakan 2 nilai tegangan yang berbeda, yaitu 7,5 V dan 9 V. Besar illuminance pada lampu dengan sumber tegangan 7,5 V adalah sekitar 260 lux, sedangkan besar illuminance pada lampu dengan sumber tegangan 9 V adalah sekitar 330 lux. Pada perancangan tentang lampu LED sebelumnya, besar illuminance sebuah lampu LED yang terdiri dari jumlah lampu LED sebanyak 175 buah dan sumber tegangan sebesar 6,2 volt, adalah sekitar 354,2 lux. Pengukuran illuminance tersebut dilakukan pada kondisi nyala 100% dan pada jarak 25 cm. Berikut ini merupakan tabel data yang menunjukkan perbandingan illuminance antara perancangan lampu LED yang penulis rancang dan perancangan lampu LED pada sistem sebelumnya yang penulis tinjau. Tabel 3 Perbandingan Perancangan Lampu Rancangan Penulis
Rancangan yang Ditinjau
Banyak LED
45 buah
175 buah
Jarak Pengukuran
25 cm
25 cm
Tegangan
6 volt
6,2 volt
Besar Illuminance
520 lux
354,2 lux
Illuminance lampu LED yang penulis rancang lebih besar daripada rancangan lampu LED sebelumnya, dengan tegangan yang lebih kecil dan penggunaan LED yang lebih sedikit dibandingkan rancangan lampu LED sebelumnya.
Pengujian Efisiensi Daya Lampu LED Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi daya lampu LED portabel dengan catu daya adaptor DC pada tegangan 9 volt dan 12 volt. Berikut ini adalah tabel data yang menunjukkan perbandingan besar tegangan, arus, dan daya input terhadap tegangan, arus, dan daya output pada lampu LED. Tabel 4 Perbandingan Daya Input dan Daya Output Lampu LED Units
Input
Output
Voltage (V)
9V
12 V
9V
12 V
Current (I)
1.2 A
1.2 A
0.155 A
0.215 A
Power (P)
10.8 W
14.4 W
1.395 W
2.58 W
Efisiensi daya dari perbandingan daya output dan daya input dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Tabel 5 Efisiensi Daya Lampu LED Input Power (P)
Output Power (P)
Efficiency (η)
10.8 W
1.395 W
12.91%
14.4 W
2.58 W
17.90%
Efisiensi daya lampu LED dengan catu daya sebesar 9 volt menggunakan adaptor DC adalah 12,91%, sedangkan efisiensi daya lampu LED dengan catu daya 12 volt menggunakan adaptor DC adalah 17,90%.
SIMPULAN DAN SARAN Baterai VRLA dapat dicharge dengan menggunakan simple charger yang dihasilkan dari penelitian dengan suhu stabil. Efisiensi battery charger adalah sebesar 11,9%. Lampu LED yang dirancang memiliki illuminance sebesar 330 lux yang diukur pada jarak 50 cm dan menjadi yang tertinggi dibandingkan sumber cahaya lainnya yang diukur. Terdapat perbedaan illuminance antara lampu LED yang sudah diproduksi sebelumnya dengan lampu LED yang dirancang dimana lampu LED dimana lampu LED yang dirancang memiliki illuminance yang lebih tinggi. Modul pengendali nyala lampu memiliki tingkat keberhasilan 0% dalam mengendalikan nyala lampu LED. Efisiensi daya lampu LED sebesar 17,9% pada tegangan 12 Volt dan 12,91% pada tegangan 9 Volt. Saran untuk pengembangan selanjutnya adalah merancang advanced charger untuk pengisian baterai yang lebih stabil dan optimal serta menambahkan charger dengan metode pemanfaatan energi yang dapat diperbarui, dan merancang lampu LED portabel menggunakan high power LED untuk mendapatkan illuminance yang jauh lebih besar.
REFERENSI Azevedo, I.L., Morgan, M.G., & Morgan, F. (2009). The Transition to Solid-State Lighting. Proceedings of The IEEE. 97 (3): 482-508. Biswal, M., & Sabyasachi, S. (2012). A Study on Recent DC-DC Converter. International Journal of Engineering Research and Applications (IJERA). 2(6): 657-663. Chin, Le-Yan, & Chong, Kok-Keong. (2012). Study of High Power Light Emitting Diode (LED) Lighting System in Accelerating the Growth Rate of Lactuca Sativa for Indoor Cultivation. International Journal of Physical Sciences. 7(11): 1773-1781. Floyd, T.L. (2005). Electronic Devices Conventional Current Version, Seventh Edition. New Jersey : Pearson Education International. Masjanuar, R., Puspita, E., & Taufiqurrahman. (2011). Dimmer Lampu pada Penerangan Ruangan Menggunakan LED yang Dilengkapi dengan Otomatisasi dan Emergency. Tugas Akhir. Surabaya. Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. Mehta, V., & Malik, P. (2012). Comparison Between Asynchronus and Synchronus Buck Converter Topology. International Journal of Applied Engineering Research. 7(11). Rosu, M., Microchip Technology Inc. (2013). High-Efficiency Solution for Portable LED Lighting. MICROCHIP. 1-12. Shuwanto, H., Josses, Winardi, & Atmadja, W. (2013). Lampu Jalan Berbasiskan Panel Surya Menggunakan Teknik MPPT. Skripsi. Jakarta. Universitas Bina Nusantara. Soni, S.P. (2012). Driving High Power LED. International Journal of Advanced Engineering Research and Studies. (2249-8974): 242-244. Warren, John-David, Adams, J., & Molle, H. (2011). Arduino Robotics. New York : Apress.
RIWAYAT PENULIS Dimas Aria Adianto lahir di kota Jakarta pada 6 Agustus 1991. Penulis menamatkan pendidikan S1 di Universitas Bina Nusantara dalam bidang Sistem Komputer pada 2014. Michael Jeremia Setiadi lahir di kota Jakarta pada 5 Maret 1992. Penulis menamatkan pendidikan S1 di Universitas Bina Nusantara dalam bidang Sistem Komputer pada 2014.
Samuel Hadi Dwiputra lahir di kota Jakarta pada 20 April 1991. Penulis menamatkan pendidikan S1 di Universitas Bina Nusantara dalam bidang Sistem Komputer pada 2014.
