Rancang Bangun Alat Ukur Efisiensi Lampu Pijar Berbasis Mikrokontroler Yuanita Adriana, Prawito, Arief Sudarmaji
Departemen Fisika, FMIPA UI, Kampus UI Depok 16424
[email protected]
ABSTRACT Telah dibuat alat ukur efisiensi lampu pijar berbasis mikrokontroler. Alat ukur ini mengimplementasikan prinsip dasar fotometri. Sistem ini menggunakan sensor cahaya (OPT101) untuk mengukur nilai intensitas lampu serta dilengkapi pengendalian posisi sensor tersebut ke sumber cahaya (lampu pijar), selain itu juga terdapat pengendali daya lampu (tegangan AC – Alternating Current) yang dapat diatur melaluli software LabVIEW. Pembacaan daya listrik menggunakan sensor arus (CSLW6B1) dan pengkondisi sinyal precision rectifier (sebagai pembaca tegangan). Seluruh sistem ini dibawah pengendalian mikrokontroler dan hasil pengukuran dari pengolahan data akan ditampilkan pada LCD dan LabVIEW. Kata Kunci : Efisiensi; Lampu; Pijar; Fotometri; Intensitas. ABSTRACT Microcontroller-based Measuring Instrument for Incandescent Lamp Efficiency has been created. This instrument is built bassed on photometry principles. The system uses a light sensor (OPT101) to measure the light intensity values as well as controls the position of the sensor that is fitted to the light source (incandescent lamp). It also controls the lamp power (AC voltage Alternating Current) which can be set through control and monitoring efficiency incandescent lamp program using LabVIEW software. The lamp power is measured using current sensor (CSLW6B1) and precision rectifier. The entire system under the controlled of the microcontroller and the measurement results and the processed data will be displayed on the LCD text and control and monitoring the efficiency of incandescent lamp program using LabVIEW software. Keywords: Efficiency; Lamp; Incandescent; Photometry; Intensity. 1. PENDAHULUAN Lampu listrik adalah suatu piranti yang mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Energi radian yang dipancarkan persatuan waktu disebut daya radian atau fluks radian. Tidak semua tenaga listrik tersebut berubah menjadi fluks radian, beberapa bagian terbuang sebagai
Gambar 1.1. Konversi Tenaga Listrik Menjadi Fluks Cahaya[1]
panas. Fluks radian yang tinggal hanya sebagian kecil saja terletak dalam interval panjang gelombang (400-700 nm) yang dapat merangsang indera penglihatan mata yang normal. Bagian dari fluks radian yang mempengaruhi indera penglihat disebut fluks cahaya. Proses konversi ini digambarkan dengan diagram aliran seperti terlihat pada gambar 1.1.[1] Produksi lampu pijar yang beredar di masyarakat tidak mencantumkan nilai efisiensi lampu, biasanya hanya mencantumkan nilai daya lampu dalam satuan Watt, sehingga tidak diketahui berapa besarnya efisiensi lampu tersebut. Efisiensi lampu atau efikasi luminus adalah nilai yang menunjukkan besar efisiensi pengalihan energi listrik ke cahaya dan dinyatakan dalam satuan Lumen per Watt. Pada lampu pijar, kurang lebih 90% daya yang digunakan dilepaskan sebagai radiasi panas dan hanya 10% yang dipancarkan dalam radiasi cahaya kasat mata. Efisiensi yang sangat rendah ini disebabkan karena pada temperatur kerja, filamen wolfram meradiasikan sejumlah besar radiasi infra merah. Untuk mengetahui nilai efisiensi tersebut, maka diperlukan suatu alat ukur untuk mengukur nilai efisiensi lampu pijar.Dengan memanfaatkan komponen elektronika yang telah berkembang pesat, maka dapat dibuat suatu sistem pengukuran efisiensi lampu pijar berbasis mikrokontroler dengan prinsip fotometri sebagai landasan teori.
2. TINJAUAN TEORITIS Cahaya adalah suatu bentuk energi, yaitu energi pancaran. Cahaya tampak adalah pancaran energi yang membuat retina mata menjadi sensitif. Yang dapat dilihat mata hanya sebagian kecil saja. Secara eksperimen diperoleh bahwa mata sensitif pada daerah yang kecil dari
panjang gelombang yang dipancarkan oleh lampu, sehingga kita dapat membedakan intensitas antara dua sumber cahaya, yaitu dengan menghitung jumlah daya (Watt ataupun Joule/det) yang dipancarkan oleh cahaya tampak. Pelajaran tentang mengukur dan membandingkan besaranbesaran cahaya disebut fotometri. Jumlah fluks pancaran yang sama, oleh mata tidak sama pengaruhnya untuk warna-warna yang berbeda.[2] 2.1. Besaran Fotometri Terdapat beberapa besaran fotometri, diantaranya : a. Fluks Cahaya Fluks cahaya (luminous flux) adalah arus cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber. Memiliki simbol F dengan satuan Lumen (Lm).[2]
=4
(2.1)
Keterangan : F = Fluks Cahaya (Lm) π = 3,14 I = Kuat penerangan (Cd) b. Kuat Penerangan / Intensitas Penerangan Kuat penerangan (luminous intensity) adalah banyaknya cahaya yang dipancarkan oleh sebuah sumber titik persatuan sudut ruang (steradian). Memiliki simbol I dengan satuan Candela.[2]
=
Ω
(2.2)
Keterangan : I = Kuat penerangan (Cd) dF = Fluks Cahaya (Lm) dΩ= Sudut Ruang c. Derajat Pancaran Derajat pancaran adalah banyaknya fluks cahaya yang jatuh tegak lurus pada satu
satuan luas permukaaan (kuat penerangan pada bidang yang diterangi). Memiliki simbol E dengan satuan Lumen/luas atau Lux.[2]
=
=
=
(2.3)
Keterangan : E = Derajat Pancaran (Lux) dF = Fluks Cahaya (Lm) dA= Luas Bola (m2) π = 3,14 I = Kuat penerangan (Cd) R = Jarak (m) d. Derajat Penerangan Derajat penerangan (brightness) adalah kuat cahaya persatuan luas permukaan. Memiliki simbol B dengan satuan Cd/m2.[2]
=
(2.4)
Keterangan : B = Derajat Penerangan (Cd/m2) A = Luas Permukaan (m2) I = Kuat penerangan (Cd) e. Efisiensi Luminus Efisiensi Luminus (luminous efficiency) adalah rasio antara fluks cahaya yang dihasilkan suatu sumber cahaya listrik terhadap daya listrik (P) yang digunakan sebagai masukan dalam Watt.[3]
η =
(2.5)
Keterangan : η = Efisiensi Luminus (Lm/Watt) F = Fluks Cahaya (Lm) P = Daya Listrik (Watt) 2.2. Hukum Fotometri Terdapat dua hukum dalam fotometri, yaitu : a. Hukum Kuadrat Terbalik Titik P adalah sumber cahaya dengan kuat penerangan I, jika A, B dan C adalah permukaan bola yang berjari-jari 1m, 2m dan 3m dari titik P dan mempunyai sudut ruang yang sama maka:
:
:
=
=
=
=
=
=
(2.6)
Jadi, penerangan pada sebuah permukaan yang tegak lurus cahaya jatuh berbanding terbalik dengan kuadrat jarak dari permukaan tersebut ke sumber.[2]
Gambar 2.1. Hukum Kuadrat Terbalik[2]
b. Hukum Cosinus Lambert Hukum kuadrat terbalik dipakai untuk cahaya jatuh tegak lurus permukaan. Jika arah cahaya jatuh tidak tegak lurus yaitu membuat sudut θ dengan sudut normal maka luasnya
Gambar 2.2. Hukum Cosinus Lambert[2]
menjadi Acos θ. Penerangan pada sebuah titik diatas suatu permukaan berbanding lurus dengan cosinus sudut antara cahaya jatuh dan arah normal. Hal ini disebut Hukum cosinus dari Lambert.[2]
=
cos
(2.7)
Keterangan : E = Derajat Pancaran (Lux) Iθ = Besarnya kuat penerangan pada arah tersebut (Cd) d = Jarak dari sumber (m2) Maka, dapat dikatakan suatu permukaan ternyata sama terangnya jika dilihat dari arah manapun. ! !
=
(2.8)
Keterangan : I = Kuat Penerangan (Cd) A = Luas Permukaan (m2) θ = Sudut (0)
3. METODA PENELITIAN Untuk mengetahui nilai efisiensi suatu lampu pijar, dibutuhkan beberapa parameter yang harus terukur yaitu derajat pancaran, jarak lampu dengan pendeteksi intensitas cahaya dan daya
listrik yang dibutuhkan lampu. Dengan parameter-parameter tersebut maka akan didapatkan suatu nilai efisiensi lampu dengan perhitungan sebagai berikut:
η=
π"
=
π#$ % &
(3.1)
Keterangan: η = Efisiensi Lampu (Lm/Watt) π = 3.14 I = Kuat Penerangan (Cd) P = Daya Listrik (Watt) E = Derajat Pancaran (Lux) R = Jarak (m) V = Tegangan (V) i = Arus (A)
Dalam perancangan alat ukur ini dibutuhkan suatu perangkat yang dapat mendeteksi parameter yang dibutuhkan tersebut. Maka dirancanglah sebuah sistem agar hal tersebut dapat terlaksana. Perancangan dapat terlihat diblok diagram pada gambar 3.1. Gambar 3.1 merupakan blok diagram dari sistem alat ukur efisiensi lampu pijar. Pengukuran nilai derajat pancaran lampu pijar menggunakan rangkaian sensor cahaya. Pengukuran jarak lampu terhadap pendeteksi derajat pancaran menggunakan rangkaian up-down counter. Pengukuran nilai daya listrik yang dibutuhkan lampu pijar menggunakan
rangkaian
sensor arus dan rangkaian precision rectifier sebagai pengkondisi sinyal untuk pengukuran nilai tegangan. Pada sistem terdapat pengendalian jarak lampu pijar terhadap pendeteksi intensitas cahaya (dalam hal ini yaitu rangkaian sensor cahaya). Pengendalian tersebut dilakukan dengan cara mengatur arah putaran motor DC rotary encoder yang pada bagian sumbunya tersambung dengan ulir. Hal ini diharapkan dengan berputarnya motor DC rotary encoder tersebut maka ulirpun juga akan bergerak berputar sesuai pergerakan arah motor. Rangkaian sensor cahaya diletakan pada ulir,sehingga saat ulir berputar maka rangkaian sensor cahaya akan bergerak maju atau mundur (sesuai arah putaran motor). Pengendalian dilakukan oleh
Gambar 3.1. Blok Diagram
rangkaian mikrokontroler dengan rangkaian tambahan driver motor. Output dari rangkaian updown counter yang merupakan pulsa dari cacahan rotary encoder akan digunakan sebagai input pada pengendalian tersebut. Terdapat pula pengendalian nilai tegangan AC pada lampu. Pengendalian dilakukan dengan cara menggunakan variabel transformator yang pada bagian knop pemutarnya disadap dengan sumbu motor DC. Sama seperti sebelumnya, pengendalian dilakukan oleh rangkaian mikrokontroler dengan rangkaian tambahan driver motor. Perkalian output rangkaian precision rectifier dan rangkaian sensor arus akan digunakan sebagai input pada pengendalian ini tersebut. Sistem ini juga menggunakan sebuah sensor suhu yang diletakan berdekatan dengan sensor cahaya yang berfungsi untuk memonitor suhu OPT101 serta tampilan berupa LCD dan LabVIEW. Penambahan tampilan menggunakan LabVIEW bertujuan untuk mengetahui karakteristik dari hubungan antara derajat pancaran (E) dengan Jarak (R) dimana pada tampilan LabVIEW akan menampilkan grafik dari kedua hubungan tersebut. Selain sebagai display,
LabVIEW juga digunakan untuk pengaturan daya lampu yang diinginkan.
4. HASIL Telah dilakukan pengukuran nilai efisiensi lampu pijar 25, 40, 60, 75 dan 100 Watt dengan merk yang sama. Dimana pengukuran dilakukan dengan memvariasikan nilai daya lampu dan jarak antara lampu dengan sensor cahaya. Variasi daya lampu yang dapat dilakukan yaitu 10-100% dari jenis daya lampu pijar dengan interval 10%. Tabel 4.1. Nilai Efisiensi Lampu Pijar 25-100 Watt
Jenis Lampu Pijar
LPR
η (%)
Kes.Peng (%)
100 Watt
15,23
2,24
0,014
75 Watt
10,64
1,56
0
60 Watt
9,82
1,44
0,019
40 Watt
6,35
0,93
0,029
25 Watt
5,15
0,75
0
5. PEMBAHASAN Pada lampu pijar 75 dan 100 Watt, pemberian variasi power lampu yang dapat diberikan hanya 40-100 %. Hal tesebut dikarenakan pada saat power lampu yang diberikan 30%, pada saat perpindahan jarak tertentu, tidak terjadi perubahan nilai derajat pancaran. Hal tersebut dikarenakan daya yang diberikan sangat kecil dibandingkan dengan spesifikasi lampu sehingga filamen pada lampu belum memanas secara maksimal. Akibat belum memanasnya filamen pada lampu, cahaya yang dipancarkan relatif kecil sehingga alat ukur derajat pancaran yang digunakan tidak dapat membedakan nilai E pada jarak tertentu (rata-rata pada jarak terjauh). Pada lampu pijar 60 Watt, pemberian variasi power lampu yang dapat diberikan hanya 60-100 %. Lampu pijar 40 Watt, 70-100 %. Lampu pijar 25 Watt, 90-100 %. Dari variasi jarak yang diberikan maka dapat dibuat suatu grafik hubungan antara derajat pancaran (E) dengan satuan Lux dan jarak (R) dengan satuan meter. Terlihat Semakin jauh jarak antara sensor cahaya dengan lampu pijar maka E yang terukur akan semakin kecil. Sebaliknya semakin dekat jarak antara sensor cahaya dengan lampu pijar maka E yang terukur akan semakin besar. Sehingga menghasilkan grafik hiperbola. Hal ini sesuai dengan salah satu
Gambar 5.1. Grafik Hubungan R dan E
hukum fotometri yaitu hukum kuadrat terbalik. Terkadang nilai tegangan yang terukur pada lampu terlihat tidak stabil, yaitu terjadi kenaikan atau penurunan tegangan sekitar 1-2 V AC. Hal ini disebabkan gangguan pada sumber tegangan PLN. Nilai daya yang terukur pada lampu tidak sama dengan daya yang diatur pada pemograman LabVIEW. Hal ini disebabkan sistem pemograman pada mikrokontroler diberikan nilai tolerasi sebesar 5% dari daya yang diatur. Diberikan nilai toleransi tersebut karena sangat sulit untuk mengatur nilai daya yang sesuai dengan yang diinginkan. Hal tersebut disebabkan karena ketidakstabilan nilai adc yang terukur untuk pengukuran nilai tegangan dan arus lampu. Sehingga saat daya lampu yang terukur belum sesuai dengan yang diinginkan tetapi hanya berbeda ≤5% dari daya yang diinginkan maka sistem akan menganggap nilai tersebut sesuai dengan daya yang diinginkan. Nilai jarak yang terukur pada sistem tidak memperlihatkan kenaikan interval jarak 8 cm pada saat 64 cm menuju 57 cm dan pada saat 33 cm menuju 26 cm melainkan kenaikan interval sebesar 8 cm. Hal tersebut diakibatkan sistem pemograman pada mikrokontroler tidak digunakan
Gambar 5.2.Tampilan Hasil Pengukuran LabVIEW
fungsi “=” pada pengecekan nilai counter, melainkan fungsi “≥”. Sama seperti pengecekan daya lampu, sangat sulit untuk mengatur nilai counter yang sesuai dengan yang diinginkan. Sehingga saat jarak yang terukur sama atau telah melewati nilai jarak yang diinginkan, maka sistem akan menganggap nilai tersebut sesuai dengan nilai jarak yang diinginkan. Terlihat pada tabel 4.1. nilai efisiensi dari lampu pijar 100 Watt saat power 100% sebesar 15,23 Lm/Watt. Dari nilai efisiensi yang terukur dalam satuan Lumen/Watt, maka dapat diketahui efisiensi lampu pijar dalam satuan %. Dimana efisiensi tersebut akan dibandingkan dengan efisiensi cahaya total dari sumber cahaya yaitu 680 Lm/Watt.[1] Hal tersebut dikarenakan Lumen adalah kesetaraan fotometrik dari Watt, yang memadukan respon mata “pengamat standar”.[15] Berikut perhitungan efisiensi lampu dalam persen :
'()(*+)( ,-./0 =
'()(*+)( ,-./0 =
12345654 17898:8 2;28<
A, CDE
= 100%
(5.1)
= 100% = 2,24%
Tabel 5.1. merupakan referensi efisiensi lampu pijar dari berbagai sumber. Terlihat nilai Lumen Per Watt dari lampu pijar berada pada range 5 hingga 25. Hal tersebut sesuai dengan
Tabel 5.1. Referensi Nilai Efisiensi Lampu Pijar 25-100 Watt Lampu Pijar
LPR
η(%)
40 Watt
12,5
1,9
60 Watt
14,5
2,1
100 Watt
17,5
2,6
-
12
<10
Sumber http://id.wikipedia.org/wiki/Lampu_pijar
http://riza-electrical.blogspot.com/2012/07/lampupijar.html
-
5-20
-
http://books.google.co.id/books?id=xXY9TeOPE2MC &pg=PA6&lpg=PA6&dq=efisiensi+lampu+pijar+dal am+lumen+per+watt&source=bl&ots=0M76Hh9OR M&sig=aMYT4Y8akzrGlDoAscpSGvRw9U8&hl=id &sa=X&ei=HrGfULixOovjrAfW7oGADQ&ved=0C EkQ6AEwBw#v=onepage&q=efisiensi%20lampu%2 0pijar%20dalam%20lumen%20per%20watt&f=true
40 Watt
12
-
http://repository.upi.edu/operator/upload/s_e0451__0
100 Watt
17
-
811659_chapter2.pdf
-
<25
-
http://www.dmme.virginia.gov/de/consumerinfo/Hand bookLighting.pdf
15
2
http://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy
40 Watt
11,25
-
http://lumennow.org/lumens-vs-watts/
60 Watt
13,3
-
75 Watt
14,7
-
100 Watt
16
-
25 Watt
10,4
-
Sears, F W dan Zemansky, M W. 1962. Fisika Untuk
40 Watt
11,7
-
Universitas III, Optika dan Fisika Atom. Jakarta :
60 Watt
13,9
-
Binacipta. (818-832).
100 Watt
16,3
-
-
12
-
http://www.scribd.com/doc/102918267/84/LampuPijar
12
<10
http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules /indo/Chapter%20%20Lighting%20%28Bahasa%20In donesia%29.pdf
pengukuran yang dilakukan oleh alat ukur yang dibuat. Hanya saja terdapat perbedaan nilai efisiensi lampu pijar jika dibandingkan dengan referensi yang ada, dimana data yang didapat, selalu dibawah nilai referensi. Hal tersebut diakibatkan beberapa faktor, diantaranya perbedaan
merk lampu yang dijadikan pengukuran dan keakuratan pengukuran pada sensor-sensor yang dipakai sebagai alat ukur untuk parameter-parameter yang diperlukan dalam pengukuran.
6. KESIMPULAN Dari pengamatan data yang sudah dilakukan, maka penulis mempunyai kesimpulan diantaranya : 1. Alat ukur efisiensi lampu pijar dapat digunakan untuk mengukur efisiensi lampu pijar 25, 40, 60,75 dan 100 Watt. 2. Nilai Efisiensi lampu pijar 100 Watt yang terukur saat daya maksimal sebesar 15,23 Lm/Watt (2,24%). 3. Nilai Efisiensi lampu pijar 75 Watt yang terukur saat daya maksimal sebesar 10,64 Lm/Watt (1,56%). 4. Nilai Efisiensi lampu pijar 60 Watt yang terukur saat daya maksimal sebesar 9,82 Lm/Watt (1,44%). 5. Nilai Efisiensi lampu pijar 40 Watt yang terukur saat daya maksimal sebesar 6,35 Lm/Watt (0,93%). 6. Nilai Efisiensi lampu pijar 25 Watt yang terukur saat daya maksimal sebesar 5,15 Lm/Watt (0,75%). 7. Terjadi hubungan kuadrat terbalik antara E (derajat pancaran) dengan R (jarak antara sensor cahaya dengan lampu pijar).
7. SARAN Dalam pengujiannya ternyata Alat Ukur Efisiensi Lampu Pijar masih kurang maksimal. Oleh karena itu, penulis mempunyai beberapa saran yang berguna untuk pembuatan selanjutnya. 1.
Memperhatikan komponen yang dipakai (dalam bentuk datasheet-nya ataupun kondisi komponen serta nilai toleransi).
2.
Memperhatikan keamanan rangkaian agar aman dan tidak gampang rusak (tidak short).
8. DAFTAR ACUAN [1]
Sears, F W dan Zemansky, M W. 1962. Fisika Untuk Universitas III, Optika dan Fisika Atom. Jakarta : Binacipta. (818-832).
[2]
Sarojo, Ganijanti Abi. 1981. Seri Fisika Dasar : Gelombang dan Optika, Edisi ketiga. Jakarta : Jurusan Fisika FIPIA Universitas Indonesia. (367-371).
[3]
Sears, Francis Wetson. 1949. Optics, Third Edition. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. (322-347).
[4]
http://id.wikipedia.org/wiki/Lampu_pijar dibuka pada tanggal 13 Mei 2012 pukul 20:12 WIB.
[5]
Prabowo, Sapto Adi. 1999. Pemakaian Lampu Pijar Sebagai Kumparan Hambat Pada Lampu TL. Skripsi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
Indonesia.
Depok. (3-7). http://www.scribd.com/doc/30433952/Energi-dan-Daya-Listrik dibuka pada tanggal 16 Juli 2012 pukul 15:13 WIB. [7]
www.duniaelektronika.blogspot.com dibuka pada tanggal 17 Juni 2010 pukul 21:34 WIB.
[8]
http://www.alldatasheet.com dibuka pada tanggal 5 Desember 2011 pukul 17.01 WIB.
[9]
Sanjaya, Agung Hadi. 2010. Rancang Bangun Sistem Mekanika Alat Ukur Intensitas Cahaya dengan Variasi Sudut Gelombang Menggunakan Kisi Difraksi sebagai Monokromator. Tugas Akhir Jurusan Fisika Instrumentasi Industri, Fakultas MIPA, Universitas Indonesia. Depok.
[10]
http://elektronika-dasar.com/komponen/sensor-tranducer/sensor-suhu-ic-lm35/ dibuka pada tanggal 17 Juli 2012 pukul 21:11 WIB.
[11]
http://elektronika-dasar.com/teori-elektronika/motor-dc/
dibuka
pada
tanggal
3
September 2012 pukul 9:03 WIB. http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/21583/3/Chapter%20II.pdf dibuka pada tanggal 3 September 2012 pukul 9:24 WIB. [13]
http://shatomedia.com/2009/01/jenis-jenis-motor-dc/ dibuka pada tanggal 3 September 2012 pukul 9:32 WIB.
[14]
http://ini-robot.blogspot.com/2012/05/pulse-width-modulation-pwm.html dibuka pada tanggal 2 September 2012 pukul 11:27 WIB. http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20%20Lighting%20%28Bahasa%20Indonesia%29.pdf dibuka pada tanggal 11 November 2012 pukul 23:49 WIB.
http://www.dmme.virginia.gov/de/consumerinfo/HandbookLighting.pdf dibuka pada tanggal 11 November 2012 pukul 22:09 WIB
