TUGAS AKHIR PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI UNTUK LAMPU TL (FLUORESCENT) HEMAT ENERGI

TUGAS AKHIR

PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI UNTUK LAMPU TL (FLUORESCENT) HEMAT ENERGI

Diajukan Guna Melengkapi Sebagian Syarat Dalam Mencapai Gelar Sarjana Stara Satu (S1)

Disusun oleh :

Nama NIM Program Studi

: Ahmad Yani : 4140411-164 : Teknik Elektro

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2009

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan di bawah ini,

Nama

: Ahmad Yani

NIM

: 4140411-164

Program Studi

: Teknik Elektro

Fakultas

: Teknologi Industri

Judul

: Perancangan Ballast Elektronik Frekuensi Tinggi Untuk Lampu TL (Fluorescent) Hemat Energi

Dengan ini menyatakan bahwa hasil penulisan Tugas Akhir yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keaslianya. Apabila ternyata dikemudian hari penulisan Tugas Akhir ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain,maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus besedia menerima sanksi berdasarkan aturan tata tertib di Universitas Mercu Buana.

Demikian, pernyataan ini saya buat dalam keadaan sadar dan tidak dipaksakan.

Penulis,

( Ahmad Yani )

LEMBAR PENGESAHAN PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI UNTUK LAMPU TL (FLUORESCENT) HEMAT ENERGI

Disusun oleh :

Nama NIM Program Studi

: Ahmad Yani : 4140411-164 : Teknik Elektro

Koordinator TA / KAPRODI

Pembimbing

( Yudhi Gunardi ST,MT )

( Yudhi Gunardi ST,MT )

ABSTRAKS Kepopuleran dan banyaknya penggunaan dari jenis lampu fluorescent adalah karena lebih hemat dan menghasilkan cahaya yang lebih terang. Kelemahan yang paling utama dan mendasar sekali dari penggunaan jenis lampu fluorescent adalah bahwa lampu ini tidak dapat bekerja sendiri (tidak dapat dihubungkan langsung dengan sumber jala-jala listrik). Untuk mengatasi masalah ini, maka dibutuhkan suatu rangkaian Ballast. Adanya rangkaian ballast yang terhubung dengan lampu fluorescent, jelas mempengaruhi keluaran cahaya yang dihasilkan oleh lampu, dan efeknya mempengaruhi kualitas daya listrik yang di konsumsi (masalah efisiensi, masalah harmonik, dan masalah faktor daya). Untuk itu, diperlukan suatu metode dalam perancangan rangkaian ballast agar kualitas keseluruhan sistem menjadi lebih baik. Perancangan Ballast Elektroinik yang terbaik adalah dengan ragkaian elektronik (disebut : ballast elektronik) dan teknik pengoperasiannya dilakukan dengan menggunakan Rangkaian Resonansi. Ballast elektronik dikembangkan untuk mengatasi kekurangan akibat penggunaan ballast elektromagnet, yang mana keunggulannya dapat menghemat penggunanaan energi lisrik,adanya pengaturan (regulasi ) tegangan dapat dioperasikan pada frekuensi tinggi, beratnya lebih ringan,dapat memberikan umur lampu yang lebih lam, dan didukung oleh perkembangan teknologi semikonduktor. Dari pengujian yang dilakukan terhadap prototipe Ballast Elektronik hasil rancangan terdapat beberapa penyimpangan (tidak sesuai) dengan hasil perancangan yang diharapkan. Hal ini disebabkan oleh karena adanya faktor ketidaklinieran komponen yang digunakan, adanya harmonik, dan adanya masalah toleransi nilai komponen yang digunakan, yang mana perhitungan dalam perancangan semuanya menggunakan komponen yang dianggap ideal dan diabaikannya masalah harmonik. penyimpangan pada Tegangan keluaran rectifier sebesar 5% dari nilai perhitungan yang dihasilkan (diramalkan) dalam perancangan, kesalahan pada Tegangan keluaran Half Bridge Inverter sebesar 30% dan kesalahan nilai frekuensi dalam kondisi running sebesar 5,7% , dan kesalahan pada Tegangan pada lampu fluorescent sebesar 13,19%.. Dari perbandingan pengujian performance (efisiensi ballast) antara pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan protototipe Ballast Elektronik hasil rancangan jauh lebih baik performancenya (efisiensi ballast rata-rata 85%) dari pada dengan yang menggunakan Ballast Elektromagnet (efisiensi ballast rata-rata 74%.)

Kata kunci : fluorescent efesiensi, perancangan, frekuensi tinggi, ballast elektronik

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT,yang mana dengan rahmat dan hidayah-Nya, telah membimbing dan menyertai penulis dalam menyelesaikan penyusunan tugas akhir ini. Penyusunan tugas akhir ini mengambil tema perancanagan ballast elektronik frekuensi tinggi untuk lampu TL (fluorescent) hemat energi dengan sitem kendali menggunakan IC IR 21571. Dalam menyelesaikan penulisan tugas akhir ini penulis telah mendapatkan banyak ide, gagasan dan pemikiran serta dorongan moril dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin sekali mengucapkan rasa terima kasih yang sebesarbesarnya kepada :

1. Kedua orang tua penulis yang telah melahirkan, membesarkan dan memberikan dukungan serta doa restunya kepada penulis. 2. Bapak otong suratman yang telah membantu dengan segenap tenaga dan fikiran serta membimbing/mendampingi penulis selama ini. 3. Bapak Yudhi Gunardi, ST, MT selaku dosen pembimbing atas arahan dan bimbingannya selama penyusunan tugas akhir ini. 4. Bapak Yudhi Gunardi, ST, MT selaku koordinator tugas akhir dan ketua program studi Tehnik Elektro Universitas Mercu Buana. 5. Segenap pimpinan, dosen, staf dan karyawan Universitas Mercu Buana atas arahan, bantuan dan bimbingannya kepada penulis. 6. Kawan-kawan Tehnik Elektro angkatan ke-5

tahun 2004 yang telah

membantu dan memberikan semangat serta dorongan sehingga penulisan tugas akhir ini dapat segera terselesaikan. 7. Semua pihak yang telah membantu baik secara langsung maupun tidak langsung yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih terdapat banyak Kesalahan dan kekurangan baik dalam penyusunan maupun dalam penulisan. Oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari berbagai pihak, sehingga dapat bermanfaat bagi penulis dimasa mendatang. Akhir kata penulis hanya mengharapkan semoga penyusunan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Jakarta, Nopember 2009

penulis

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ................................................................................................. i SURAT PERNYATAAN .......................................................................................... ii LEMBAR PENGESAHAAN .................................................................................... iii ABSTRAK ................................................................................................................ iv KATA PENGANTAR ............................................................................................... v DAFTAR ISI ............................................................................................................. vii DAFTAR TABEL ..................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xi

BAB I. PENDAHULUAN ......................................................................................1 1.1.

Latar Belakang Masalah .................................................................... 1

1.2.

Rumusan Masalah .............................................................................. 3

1.3.

Hipotesis ............................................................................................ 3

1.4.

Batasan Masalah ................................................................................ 4

1.5.

Tujuan Penelitian ............................................................................... 5

1.6.

Manfaat Penelitian ............................................................................. 6

1.7.

Sistematika Penulisan ........................................................................ 6

BAB II. DASAR TEORI ……………………………………………………….... 8 2.1.

Teori Lampu Fluorescent ………………………………………….. 8 2.1.1. Prinsip Kerja Terjadinya Cahaya pada Lampu Fluorescent …………………………………...……. 9 2.1.2. Karakteristik Lampu Fluorescent ……………………...…. 12 2.1.3. Sekilas Pendahuluan Mode Pengoperasian Lampu Fluorescent Yang Menggunakan Ballast Elektromagnet (Kumparan Induktor) ........................................................... 14

2.2.

Ballast Elektronik Frekuensi Tinggi ................................................. 15

2.3.

Rangkaian Resonant Inverter ........................................................... 17

2.3.1. Rangkaian Resonansi : Tangki L-C dan Lampu Fluorescent .............................................................. 17 2.3.2. Rangkaian Inverter : Half-Bridge Inverter .......................... 22 2.4.

Rangkaian Kontrol Ballast Elektronik (Resonant Inverter) : Implementasi Dengan Menggunakan IC, IR21571 ........................ 24

2.5.

DC Power Supply : Rangkaian Konverter AC-DC (Rectifier) ……. 26

BAB III. PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI 3.1. Perosedur perancangan Rangkaian Ballast Elektronik ........................ 29 3.1.1. Perosedur perancangan Rangkaian DC Power Supplly …...... 29 3.1.2. Perosedur perancangan Rangkaian Resonant Inverter ……... 30 3.1.3. Perosedur perancangan Rangkaian Kendali Ballast Elektronik ................................................................... 31 3.2 Perancangan Aktual Prototipe Ballast Elektronik .............................. 33 3.2.1. Perancangan DC Power Supplly ............................................. 33 3.2.2. Perancangan Rangkaian Resonant Inverter …….....……..…. 34 3.2.3. Perancangan Rangkaian Kendali Ballast Elektronik .............. 35 3.3. Metode Evaluasi Performance Lampu Fluorescent dan Ballast Elektronik ............................................................................... 39

BAB IV. PENGUJIAN PROTOTIPE BALLAST ELEKTRONIK ....................... 40 4.1.

Peralatan Pengukuran Yang Digunakan ..........................................40

4.2.

Perbandingan Pengujian antara Ballast Elektronik dan Ballast Elektromagnet ........................................... ........................................42 4.2.1

Pengujian dan Perhitungan Performance pada Pengoperasian Lampu Fluorescent dengan menggunakan Prototipe Ballast Elektronik ........................................................... ......................42

4.2.2

Pengujian dan Perhitungan Performance Pada Pengoprasian Lampu Fluorescent Dengan Menggunakan Ballast Elektromagnet (Kumparan) ..................... ............................... 52

4.2.3

Analisa Perbandingan Pengujian Performance antara

Ballast Elektronik dengan Ballast Elektromagnet ........... ........57

BAB V. KESIMPULAN ....................................................................................... 59

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 60 LAMPIRAN ............................................................................................................. 61

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1.

Keadaan Saklar Pada Rangkaian Half Bridge VSI ………...………...23

Tabel 3.1.

Daftar Komponen Rangkaian Ballast Elektronik ............................... 37

Tabel 4.1

Data Hasil Pengukurn Ballast Referensi (Merk Philips) .................... 42

Tabel 4.2.

Data Hasil Pengukuran Ballast Elektronik hasil perancangan .......... .42

Tabel 4.3.

Data Hasil perhitungan Performance Ballast Elektonik ..................... 51

Tabel 4.4.

Data Hasil Pengukuran Ballast Elektromagnet ................................... 52

Tabel 4.5.

Data Hasil Perhitungan performance Ballast Elektromagnet ............ 56

Tabel 4.6

Data Hasil Rata-Rata Perbandingan Ballast Elektronik dengan Ballast Elektromagnet..........................................................................57

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1.

Kontruksi Lampu Fluorescent …………………………...……………… 8

Gambar 2.2.

Proses dasar terjadinya cahaya didalam Tabung Lampu Fluorescent….. 10

Gambar 2.3.

Kurva Impedansi Negatif Lampu Fluorescent......................................... 12

Gambar 2.4.

Rangkaian Ballast Elektromagnet untuk Lampu Fluorescent.................. 15

Gambar 2.5.

Diagram Blok Rangkaian Konverter Daya untuk lampu Fluorescent...... 16

Gambar 2.6.

Topologi Rangkaian Resonansi................................................................ 17

Gambar 2.7.

Grafik Magnitudo Fungsi Transfer Tegangan Rangkaian Resonansi...... 20

Gambar 2.8.

Topologi Rangkaian Half Bridge VSI........................................................22

Gambar 2.9.

Bentuk gelombang keluaran Half bridge VSI........................................... 23

Gambar 2.10. Diagram rangkaian pengendali Ballast Elektonik ................................... 25 Gambar 2.11. Rangkaian konverter AC ke DC .............................................................. 26 Gambar 3.1.

DC Power Supply...................................................................................... 29

Gambar 3.2.

Rangkaian Resonant Inverter.................................................................... 30

Gambar 3.3.

Rangkaian kendali Ballast Elektronik ..................................................... 31

Gambar 3.4.

Flowcart untuk mem Power Up IR 21571 dan sistem setting Proteksi…32

Gambar 3.5.

Skema rangkaian Ballast Elektronik ........................................................ 37

Gambar 3.6.

Foto Prototipe Ballast Elektronik ............................................................ 38

Gambar 4.1.

Foto peralatan yang digunakan untuk pengujian Ballast Elektronik ....... 41

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang Masalah Adanya krisis energi yang diakibatkan oleh masalah kenaikan harga Bahan Bakar Minyak (BBM) dan tidak terpenuhinya akan kebutuhan energi dalam jumlah yang besar, menyebabkan pemakaian energi harus dikurangi atau dibatasi penggunaannya. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan melakukan suatu Program Konservasi Energi (Program Hemat Energi). Mengingat semakin rumit dan kompleks-nya permasalahan energi dan segala hal yang ditimbulkan akibat penggunaannya, maka cara yang paling sesuai dan yang paling direkomendasikan untuk membantu terlaksananya Program Konservasi energi ini adalah dengan cara menerapkan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi Modern dalam merancang peralatan-peralatan yang lebih hemat dan lebih efisien dalam pemakaian energinya.[

]

Seperti dalam kasus akan kebutuhan sumber penerangan (pencahayaan), kebanyakan manusia dalam melakukan aktifitasnya menggunakan sumber cahaya buatan yang berasal dari peralatan lampu yang memakai energi listrik (disebut : Lampu Listrik). Dapat diasumsikan bahwa, sekitar 25% dari jumlah total energi listrik yang dibangkitkan di seluruh dunia (khususnya, di Indonesia), semuanya dikonsumsi untuk kebutuhan akan pencahayaan yang menggunakan lampu listrik.[ ]

Dengan asumsi diatas, dan dengan memperkirakan bahwa kita dapat merancang

suatu peralatan lampu listrik yang penggunaan energi listriknya lebih hemat 10% dari lampu listrik yang ada sekarang, maka kita sudah dapat menghemat dan mendapatkan cadangan 10% dari total penggunaan energi listrik yang dibangkitkan.oleh seluruh Stasiun Pembangkit Tenaga Listrik yang ada di dunia sekarang ini. Tentu nilai penghematan energi listrik ini sudah lebih dari cukup untuk

mengatasi masalah krisis energi, dan satu masalah yang lebih penting lagi adalah dapat menunda pembangunan Stasiun Pembangkit Tenaga Listrik yang baru,sehingga dengan demikian biaya investasi untuk pembangunannya dapat dialihkan untuk investasi bidang lain yang lebih penting dan lebih membutuhkan. Dewasa ini, perkembangan penggunaan lampu listrik sudah mengarah pada penggunaan jenis lampu fluorescent. Kepopuleran dan banyaknya penggunaan dari jenis lampu fluorescent ini adalah karena lebih hemat dan menghasilkan cahaya yang lebih terang (warna cahayanya lebih lembut dan tidak sakit ke mata manusia), jika dibandingkan dengan cahaya yang dihasilkan oleh jenis lampu incandescent (lampu pijar).[

]

Kelemahan yang paling utama dan mendasar sekali dari penggunaan jenis lampu fluorescent adalah bahwa lampu ini tidak dapat bekerja sendiri (tidak dapat dihubungkan langsung dengan sumber jala-jala listrik). Untuk mengatasi masalah ini, maka dibutuhkan suatu rangkaian listrik bantu, yang mana fungsi dari rangkain bantu ini adalah untuk mengendalikan

arus dan tegangan listrik,

sehingga lampu fluorescent dapat beroperasi secara normal. Rangkaian bantu inilah apa yang biasa disebut dengan rangkaian Ballast.[

]

Adanya rangkaian ballast yang terhubung dengan lampu fluorescent, jelas mempengaruhi keluaran cahaya yang dihasilkan oleh lampu, dan efeknya mempengaruhi kualitas daya listrik yang di konsumsi (masalah efisiensi, masalah harmonik, dan masalah faktor daya). Untuk itu, diperlukan suatu metode dalm perancangan rangkaian ballast.agar kualitas keseluruhan sistem menjadi lebih baik. Salah satu pilihan metode yang terbaik dalam merancang rangkaian ballast adalah dengan menggunakan rangkaian elektronik, yang mana alasan utama dipilihnya metode ini adalah karena didukung oleh perkembangan yang sangat pesat dari teknologi semikonduktor modern dan kemudahan dalam aksi pengendaliannya.[

]

Oleh karena itu, dalam peneltian ini akan di bahas bagaimana caranya merancang ballast yang menggunakan rangkaian elektronik (atau biasa disebut juga dengan: Ballast Elektronik). Dalam perancangannya, akan diaplikasikan

teknologi modern dengan menggunakan rangkaian terpadu khusus (Application Specific Integrated Circuit, ASICs) yang memberikan kemudahan dalam aksi pengendaliannya dan juga dilengkapi dengan sistem proteksi, baik itu terhadap gangguan listrik maupun dari kegagalan lampu fluorescent.

1.2.

Rumusan Masalah Berdasarankan latar belakang masalah yang telah di jelaskan diatas, maka rumusan masalahnya adalah sebagai berikut : 1. Adanya karakteristik khusus pada pengoperasian lampu

fluorescent

menyebabkan diperlukannya rangkaian ballast, Masalahnya adalah teknik atau mode pengoperasian rangkaian ballast bagaimana yang dapat mengoperasikan lampu fluorescent dengan baik ? 2. Apakah benar, dengan meancang dan menggunakan rangkaian ballast elektronik frekuensi tinggi akan menghasilkan efisiensi alat secara keseluruhan (efisiensi total) menjadi lebih baik ? 3. Bagaimana cara merancang ballast elektronik frekuensi tinggi ?

1.3.

Hipotesis Terdapat beberapa perkiraan awal mengenai hasil penelitian yang akan dilakukan : 1

Pada dasarnya, perancangan rangkaian ballast elektronik frekuensi tinggi adalah perancangan rangkaian suplai dayanya, dimana suplai tegangan AC jala-jala listrik diubah menjadi tegangan DC (oleh rangkian rectifier), kemudian diubah lagi menjadi tegangan AC berfrekuensi tinggi oleh rangkaian inverter. Jadi dengan kata lain, ballast elektronik adalah rangkaian konverter daya listrik.

2. Karena lampu fluorescent dioperasikan menggunakan tegangan suplai AC pada frekuensi tinggi (diatas 20 kHz), maka nilai dan ukuran dari komponenkomponen yang digunakan untuk rangkaian konverter dayanya akan relatif lebih kecil (karena impedansi rangkainan AC adalah fungsi dari frekuensi),

terutama sekali nilai dan ukuran induktor L, sehingga ukuran dari keseluruhan rangkaian bisa dibuat lebih kecil, beratnya rendah, dan lebih kompak. 3. Karena menggunakan nilai dan ukuran komponen yang lebih kecil, maka penggunaan daya listriknya akan menjadi lebih hemat. 4. Dengan mode pengoperasian frekuensi tinggi akan menghasilkan keluaran cahaya lampu fluorescent yang lebih terang. 5. Adanya aksi Pengendalian, (lebih stabil) terhadap perubahan suplai tegangan AC jala-jala, dan adanya sistem proteksi teerhadap kegagalan dan gangguan llistrik.

1.4.

Batasan Masalah Untuk mempersingkat pembahasan dan agar masalahnya tidak meluas,

maka perlu adanya pembatasan masalah, yang diantaranya adalah : 1. Pembahasan dalam Teori Dasar Penunjang hanya difokuskan pada pembahasan rangkaian atau komponen yang dibutuhkan dan yang berhubungan langsung dengan masalah perancangan ballast elektronik. 2.. Persamaan-persamaan matematis yang digunakan untuk menentukan besarnya nilai komponen rangkaian

yang dibutuhkan dalam perancangan, diambil

langsung dalam bentuk jadi, tidak membahas bagaimana persamaan matematis tersebut diturunkan. Untuk mendapatkan yang lebih lengkap, dapat dibaca pada literature yang disediakan oleh daftar pustaka. 3. Karena perancangan rangkaian ballast tergantung pada tipe lampu fluorescent yang digunakan, maka sebagai acuan dalam perancangan dan pembuatan prototipe aktual ballast elektronik, lampu fluorescent yang digunakan adalah tipe TLD T8/36W yang berbentuk tabung memanjang, dengan datasheet yang disediakan dan diberikan oleh pabrik pembuat (manufacture) merk Philips. 4. Sebenarnya karakteristik operasi lampu fluorescent adalah tidak linier, namun dalam pendekatan perancangan rangkaian ballast, operasi lampu diasumsikan linier yang mana dalam hal ini dimodelkan oleh rangkaian ekivalen resistor linier, yang besar nilai resistansinya tertentu untuk kondisi menyala, dan besar

nilai resistansinya tak terhingga (open circuit) untuk kondisi tidak menyala, juga diasumsikan bahwa besarnya nilai dari resistansi elektroda filamen lampu fluorescent diabaikan. 5. Untuk keperluan analisa, pendekatan perancangan diasumsikan menggunakan komponen-komponen yang dianggap ideal. 6. Pembahasan Ragkaian kendali ballast elektronik hanya menjelaskan rangkaian kendali khusus yang menggunakan IC IR21571. 7. Tidak membahas masalah timbulnya harmonik. Adanya harmonik yang dihasilkan menambah kerumitan dalam analisa rangkaian, oleh karena itu untuk kesederhanaaan dalam pendekatan perancangan, analisa yang dilakukan hanya mengambil respon dari komponen dasar (orde 1) saja dari deret harmonik.

1.5. Tujuan Penelitian Tujuan yang diharapkan dalam penelitian ini adalah, antara lain : 1. Merancang dan membuat prototipe ballast elektronik frekuensi tinggi untuk lampu fluorescent. 2. Untuk memberikan prosedure perancangan ballas elektronik secara detail dan lengkap. 3. Untuk membuktikan kualitas dari prototipe ballast elektronik hasil perancangan, dan membandingkannya dengan jenis produk ballast elektromagnet. 4. Untuk memberikan ide dan inspirasi awal dalam peneltian-peneltian yang lebih lanjut tentang penggunaan teknologi modern, terutama penggunaan IC khusus (ASICs) dalam merancang peralatan untuk pemecahan masalah dalam kasus Konservasi Energi.

1.6.

Manfaat Penelitian Manfaat yang diharapkan pada peneltian ini adalah diperolehnya suatu prosedur perancangan dan pembuatan prototipe ballast elektronik frekuensi tinggi untuk lampu fluorescent yang memenuhi standar kualitas yang lebih baik. Dengan

demikian nantinya diharapkan dapat dimanfaatkan dan diaplikasikan untuk keperluan sistem penerangan baik itu pada sektor industri, komersil, maupun untuk perumahan. Selain itu, dengan adanya masalah krisis energi, diharapkan penelitian ini dapat bermanfaat dan dapat memberikan ide untuk penelitianpenelitian yang lebih lanjut dalam menyelesaikan masalah dibidang Konservasi Energi, khususnya dalam merancang peralatan-peralatan yang lebih efisien (lebih hemat) akan penggunaan energinya..

1.7.

Sistematika Penulisan Secara garis besar sistematika penulisan Tugas Akhir ini terdiri dari babbab, sebagai berikut : BAB I PENDAHULUAN Menerangkan latar belakang masalah, rumusan masalah, hipotesis, batasan masalah batasan, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. BAB II TEORI DASAR PENUNJANG Pebahasan karakteristik lampu fluorescent yang melatarbelakangi mengapa rangkaian ballast diperlukan, sekilas pendahuluan tentang mode pengoperasian dan pengendalian lampu fluorescent yang menggunakan Ballast Elektromagnet, Teori Rangkaian Resonansi dan Rangkaian Inverter sebagai

prinsip dasar

terbentuknya Rangkaian Ballast Elektronik, dan terakhir adalah menjelaskan Rangkaian DC Power Supply dan permasalahannya. BAB III METODE PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK Menerangkan kriteria dan persyaratan dalam perancangan ballast elektronik, menjelaskan prosedur perancangan, dan terakhir adalah perancangan aktual dari ballast elektronik yang akan dibuat protipenya. BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA PROTOTIPE BALLAST ELEKTRONIK Menerangkan prosedur dalam pengujian protipe ballast elektronik, mengujI, mengukur,mengukur efisiensi prototipe ballast elektronik dan efisiensi total sistem, dan terakhir adalah, membandingkan hasil pengujian dengan yang menggunakan ballast elektromagnet.

BAB V KESIMPULAN Memberikan kesimpulan, apakah tujuan penelitian dalam Tugas Akhir telah dicapai.

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dijelaskan pokok-pokok bahasan penting yang berhubungan langsung dengan masalah perancangan ballast elektronik. Agar lebih mudah memahaminya, pembahasan dimulai dari urutan penjelasan teori lampu fluorescent yang melatarbelakangi mengapa ballast diperlukan, Sekilas penggunaan ballast elektromagnet (kumparan induktor) sebagai salah satu mode dalam pengendalian dan pengoperasian lampu fluorescent. teori rangkaian Resonant Inverter sebagai rangkaian dasar terbentuknya Ballast Elektronik, dan terakhir adalah membahas bagaimana rangkaian DC Power supply dibentuk.

2.1.

Teori Lampu Fluorescent Lampu fluorescent atau disebut juga lampu tabung (lampu TL, Tube Lamp) adalah jenis lampu gas, yang mana prinsip kerja untuk menghasilkan cahayanya adalah dengan menggunakan prinsip pelepasan muatan listrik di dalam gas (gs dischrge). Gambar 2.1 adalah kontruksi lampu fluorescent, yang terdiri dari tabung lampu, yaitu berfungsi sebagai tempat terjadinya konversi energi listrik menjadi energi radiasi gelombang elektromagnet dalam bentuk radiasi cahaya ultra violet (yang tidak terlihat oleh mata).

Gambar 2.1. Konstruksi Lampu Fluorescent

Tabung lampu terbuat dari bahan gelas/kaca, dimana dinding bagian dalamnya dilapisi oleh bahan posfor yang berfungsi sebagai tempat terjadinya konversi cahaya ultara violet menjadi cahaya yang terlihat mata (tampak). Kedua elektroda filament ditempatkan dibagian ujung-ujung tabung. Kemudian tabung lampu di isi dengan suatu campuran antara uap logam merkuri(Hg) dan suatu gas inert (gas mulia). 2.1.1. Prinsip Kerja Terjadinya Cahaya pada Lampu Fluorescent Ketika elektroda lampu fluorescent diberikan tegangan listrik, maka filament lampu akan panas dan kemudian elektron terlepas, sehingga terjadi pancaran (emisi) elektron dari elektroda filament. Karena didalam lampu ada pengaruh medan listrik yang dihasilkan oleh elektroda yang berada di kedua ujung tabung lampu, maka elektron tersebut akan bergerak dipercepat dan bertumbukan dengan campuran uap logam merkuri dan atom-atom gas mulia (yang tadinya telah berada didalam tabung lampu). Tumbukkan yang terjadi, bergantung sekali dengan energi kinetik yang dimiliki oleh elektron, dan dengan cara tumbukan antara elektron dan atom gas inilah, proses konversi atau transfer energi listrik menjadi energi cahaya dapat berlangsung. Prinsip dasar proses terjadinya cahaya didalam lampu fluorescent, secara umum diilustrasikan oleh gambar 2.2, dan dijelaskan melalui tiga proses berikut : 1. Proses Pre-heat (Proses Pembangkitan Energi Panas). Ketika energi kinetik yang dimiliki oleh elektron rendah, maka tumbukan antara elektron dan atom-atom gas yang terrjadi, hanya mentransfer sebagian energi kinetik yang dimiliki oleh elektron ke atom gas. Hasil dari jenis tumbukan ini adalah terbentuknya energi panas, dan selanjutnya digunakan untuk menaikkan temperatur gas didalam lampu fluorescent. Jadi dalam kasus ini, energi listrik yang dikonsumsi hanya digunakan untuk menghasilkan energi panas, yang selanjutnya digunakan untuk menaikkan energi kinetik yang dimiliki oleh elektron. Proses ini penting sekali dalam menentukan titik temperatur optimum, sehingga proses senjutnya yang terjadi didalam tabung lampu bisa terjadi.

Gambar 2.2. Proses Dasar Terjadinya Cahaya di dalam Tabung Lampu Fluorescent

2. Proses Eksitasi Atom Gas dan Radiasi Elektromagnet Setelah energi kinetik yang dimiliki oleh elektron cukup tinggi, maka tumbukan yang terjadi, akan cukup untuk menghasilkan energi yang dapat diserap oleh atom gas, dan selanjutnya energi tumbukkan yang diserap ini digunakan oleh atom gas untuk mengeluarkan elektron yang terikat (yang dipunyai oleh atom gas) dari tingkat orbit yang rendah ke tingkat orbit yang lebih tingi. Dalam kondisi ini, keadaan atom gas cenderung menjadi tidak stabil dan selalu ingin mengembalikan keadaan elektronnya menjadi keadannya semula. Pada saat elektron dari atom gas bergerak kembali dari tingkat orbit yang tinggi ke tingkat orbit yang rendah, maka atom gas tersebut melepaskan energi (yang diserapnya tadi sewaktu tumbukan) dalam bentuk energi radiasi elektromagnet (yang berupa cahaya ultra violet). Agar bisa digunakan secara langsung untuk membangkitkan cahaya yang dapat terlihat oleh mata, maka radiasi cahaya ultara violet ini perlu di konversi lagi. Dalam kasus lampu fluorescent, biasanya bagian dalam tabung dilapisi dengan bahan posfor sehingga energi radiasi cahaya ultra violet yang dipancarkan akan mengenai atom-atom posfor yang berada di lapisan dalam dinding tabung, sehingga menyebabkan lapisan bahan pospor tersebut menjadi berpendar (fluorescent), dan selanjutnya menghasilkan spektrum cahaya yang dapat terlihat oleh mata. 3. Proses Ionisasi Atom Gas. Dalam kasus yang sangat ekstrim, dimana elektron sudah mempunyai energi kinetik yang sangat tinggi sekali, maka energi tumbukan antara elektron dan atom-atom gas, menyebabkan elektron yang terikat (pada orbit atom gas) akan

terpental (terlepas) ke luar dari atom gas tersebut (karena terjadinya tumbukkan yang sangat keras sekali), dan selanjutnya elektron terikat dari atom gas yang terpental tadi, berubah keadaannya menjadi elektron bebas. Dalam kondisi ini, atom gas menjadi kehilangan elektron terikatnya (karena berubah menjadi elektron bebas), dan atom gas ini akan mengalami proses ionisasi dan ia berubah menjadi ion positif (atom gas menjadi bermuatan positif karena kehilangan elektronnya). Kemudian elektron bebas yang dilepaskan oleh atom gas tadi selanjutnya akan bertumbukkan lagi dengan atom-atom gas lainnya (terjadinya tumbukkan berantai) dan secara cepat proses yang sama diulangi lagi dari awal, dan terakhir, elektron-elektron bebas yang dihasilkan akan ditangkap oleh elektroda yang berada dijung tabung lampu. Terbentuknya ion positif dan terbentuknya elektron bebas dari atom gas, sangat berperan penting sekali dalam proses ignition (penyalaan awal lampu) dan operasi pada kondisi normal (running), yang mana fungsinya adalah untuk memperahankan lampu fluorescent agar tetap menyala. Oleh karena itu, ion positif dan elektron bebas yang berasal dari atom gas, keberadaannya sangatlah dibutuhkan, terutama sekali untuk mempertahankan kekontinyuan aliran arus listrik pembawa (current carrier) di dalam tabung lampu fluorescent.

2.1.2. Karakteristik Lampu Fluorescent Elektron bebas dan ion positif dari atom gas yang dihasilkan seperti dalam proses yang telah dijelaskan diatas, dapat meningkat jumlahnya secara cepat (derastis) sekali, hal ini disebabkan oleh karena terjadinya proses ionisasi yang yang tidak terkendali, berlangsungnya sangat singkat, dan terjadinya secara terusmenerus (kontinyu). Oleh karena itu, kejadian ini akan menghasilkan jumlah arus listrik yang tidak terbatas (avalanche, longsoran elektron), yang akhirnya terjadi suatu kondisi hubung singkat (short circut) didalam tabung lampu. Situasi/kondisi ini tidaklah diharapkan dalam suatu pengoperasian lampu fluorescent, karena dengan arus hubung singkat yang sangat besar dapat merusak lampu dan juga

dapat merusak sisi suplai input. Dengan penjelasan ini, dapat ditarik suatu kesimpulan bahwa lampu fluorescent mempunyai ”Impedansi Negatif”, ditunjukkan oleh Gambar 2.3.

Gmbr 2.3. Kurva mpedansi Negatif Lampu Fluorescent

Karakteristik ini timbul akibat dari kenyataan bahwa, gas yang berada didalam tabung lampu fluorescent adalah suatu bahan isolator (yaitu suatu bahan yang sulit sekali menghantarkan arus listrik (atau disebut juga mempunyai nilai resistansi yang tak terhingga), dan untuk menghantarkannya dibutuhkan suatu tegangan tinggi awal sesaat (yang mana fungsinya adalah untuk mem-breakdown gas yang berada di dalam lampu) sehingga terjadi loncatan/percikan bunga api listrik, kemudian terjdinya proses ionisasi, dan dilanjutkan dengan adanya arus listrik pembawa yang terus membesar(akibat dari tumbukkan berantai), dan akhirnya tegangan lampu menjadi drop/turun. Dengan adanya karakteristik khusus lampu fluorescent tersebut diatas, jelas lampu tidak dapat beroperasi sendiri (tidak dapat dihubungkan langsung dengan

sumber

tegangan

jala-jala

listrik).

Oleh

karena

itu,

untuk

mengoperasikannya dibutuhkan suatu rangkaian ballast, yang mana fungsi utamanya adalah untuk membantu dan mengendalikan beroperasinya lampu fluorescent secara normal. Dalam perancangannya, ada tiga syarat yang harus dipenuhi oleh rangkaian ballast dalam pengoperasian lampu fluorescent, yaitu : 1. Ballast harus bisa menyediakan arus yang dapat digunakan untuk memanaskan elektroda filamen lampu (dengan spesifik waktu tertentu)

sedemikian sehingga pancaran (emisi) elektron dari filamen dapat terjadi. Pengoperasian ini disebut juga dengan kondisi Preheat. 2. Ballast harus bisa memberikan tegangan tinggi sesaat (instans) awal yang dapat digunakan untuk mem-breakdown gas, yang kemudian dilanjutkan untuk menghasilkan terjadinya proses ionisasi untuk menghasilkan arus pembawa (carrier current), sehingga penyalaan awal (starting) lampu bisa terjadi dan berlanjut. Pengoperasian ini disebut juga dengan kondisi Ignition (penyalaan). 3. Sekali lampu sudah dinyalakan (ignited), maka lampu akan tetap menyala, namun hal ini akan menghasilkan arus discharge pembawa yang sangat besar (tegangannya turun). Oleh karena itu, ballast harus bisa membatasi besarnya arus

yang mengalir didalam tabung lampu dan menjaga

kestabilan tegangannya , sehingga kondisi pada titik operasi normal lampu bisa dicapai. Pengoperasian ini disebut juga dengan kondisi Running.

2.1.3. Sekilas Pendahuluan Mode Pengoperasian Lampu Fluorescent Yang Menggunakan Ballast Elektromagnet (Kumparan Induktor) Ballast elektromagnet merupakan sebuah rangkaian kumparan induktor (choke), dimana prinsip kerja untuk memenuhi kondisi persyaratan dan pengendalian lampu fluorescent adalah dengan menggunakan prinsip induksi elektromagnet. Prinsip kerja dasar dari ballast elektromagnet

dalam mengoperasikan

lampu fluorescent dapat dijelaskan dan diilustrasikan oleh gambar 2.4. Ketika suplai tegangan jala-jala listrik (asumsikan frekuensinya 50 Hz) dihubungkan ke rangkaian, dan pada awalnya saklar starter (saklar yang terbuat dari bahan logam bimetal) dalam keadaan tertutup (on), maka arus listrik yang mengalir digunakan oleh induktor (ballast elektromagnet) untuk menyimpn energi dalam bentuk medan magnet, setelah itu, arus listrik ini terus mengalir lagi tetapi tidak melalui lampu (karena lampu yang tidak menyala dianggap mempunyai resistansi yang tak terhingga nilainya atau open circuit), akan tetapi mengalir melalui elektroda filamen lampu dan memanasinya, sehingga terjadi emisi

elektron (untuk memenuhi kondisi persyaratan preheat). Beberapa saat kemudian, disisi lain, karena ada arus listrik yang mengalir pada saklar bimetal, maka logam bimetal menjadi panas dan memuai, sehingga menyebabkan saklar starter bimetal menjadi terbuka (off). Kejadian ini menyebabkan energi (dalam bentuk energi medan magnet) yang disimpan didalam ballast harus dilepaskan kembali ke rangkaian, dan ini akan menghasilkan tegangan puncak transien sesaat yang sangat tinggi timbul pada elektroda lampu (perubahan medan magnet menghasilkan tegangan induksi), dan menyebabkan terjadi breakdown dalam gas (tegangan tembus yang menyebabkan terjdinya proses ionisasi dan arus listrik mengalir dalam gas) pada lampu (untuk memenuhi kondisi persyaratan ignition), dan setelah itu, arus mulai dan tetap mengalir di dalam lampu, yang mana besarnya dibatasi oleh impedansi ballast dan impedansi lampu. Sekali lampu dinyalakan (ignited), maka lampu akan tetap menyala, dan juga saklar starter akan tetap terbuka (off), pada kondisi ini lampu akan berjalan normal (untuk memenuhi kondisi persyaratan running).

Gambar 2.4. Rangkaian ballast elektromaget yang digunakan untuk suplai Lampu Fluorescent pada frekuensi rendah (50 Hz)

Kapasitor yang dipasang terhubung paralel dengan saklar starter berfungsi untuk mengurangi terjadinya interferensi dengan frekuensi gelombang radio selama proses starting lampu berlangsung. Karena ballast elektromagnet bersifat induktif, biasanya dipasang juga kapasitor yang terhubung paralel dengan suplai tegangan jala-jala, yang mana fungsinya adalah untuk memperbaiki PF/faktor daya (power faktor) dari suplai input. Kelemahan yang utama dari penggunaan ballast elektromaget ini adalah adanya rugi-rugi yang besar dan tidak adanya aksi pengendalian. Selain itu,

karena dioperasikan pada frekuensi rendah (50 Hz), maka keluaran cahaya dari lampu fluorescent kurang begitu terang.

2.2.

Ballast Elektronik Frekuensi Tinggi Ballast Elektronik dikembangkan untuk mengatasi kekurangan akibat penggunaan Ballast Elektromagnet, yang mana keunggulanya adalah dapat menghemat penggunaan energi listrik, adanya aksi pengaturan (regulasi) tegangan, dapat dioperasikan pada frekuensi tinggi, beratnya lebih ringan, dan dapat memberikan umur lampu yang lebih lama.. Ballast Elektronik merupakan rangkaian, dimana prinsip kerja untuk memenuhi kondisi persyaratan dalam pengendalian dan pengoperasian lampu fluorescent adalah dengan menggunakan prinsip pengubahan frekuensi dari rangkaian Resonant Inverter (yaitu suatu rangkaian gabungan dari rangkaian inverter dan rangkaian resonansi). Jadi secara umum, Ballast Elektonik adalah Rangkaian Resonant Inverter. Gambar 2.5 adalah diagram blok ballast elektronik, yang mana prinsip kerja dasarnya adalah sebagai berikut, sumber tegangan AC (bolak-balik) dengan frekuensi 50 Hz dari jala-jala listrik diubah (dikonversi) menjadi sumber tegangan DC (searah) oleh rangkaian rectifier.

Gambar 2.5. Diagram Blok Rangkaian Konverter Daya untuk Suplai Lampu Fluorescent

Selanjutnya, tegangan DC ini diubah (dikonversi) lagi menjadi tegangan AC yang berfrekuensi tinggi (>20 kHz) oleh rangkaian Halft-Bridge Inverter, Dan terakhir, adalah output tegangan AC berfrekuensi tinggi yang berasal dari rangkaian Half-Bridge Inverter disuplaikan ke rangkaian resonansi tangki L-C dan lampu Fluorescent. Untuk memenuhi kondisi persyaratan operasi lampu, maka frekuensi dari tegangan AC dari keluaran Half-Bridge Inverter diubah-ubah besarnya yang secara otomatis dilakukan oleh rangkaian kontrol Ballast.

2.3.

Rangkaian Resonant Inverters: 2.3.1. Rangkaian Resonansi : Tangki L-C dan Lampu Fluorescent Gambar 2.6 adalah topologi dari rangkaian Resonansi R-L-C, yang terdiri dari rangkaian tangki L-C , Tahanan R dari rangkaian ekivalen lampu fluorescent, dan Vs adalah sumber tegangan AC berfrekuensi tinggi yang berbentuk gelombang persegi yang berasal dari rangkaian inverter (akan dibahas pada bagian sub 2.3.2). Diasumsikan dalam analisa ini nanti, bahwa besarnya tegangan VS adalah nilai amplitudo komponen dasar (orde 1) dari gelombang persegi, dan ini artinya adalah bahwa deret harmonik orde yang lebih tinggi dari tegangan gelombang persegi diabaikan.

Gambar 2.6. (a). Topologi Rangkaian Resonansi

(b). Rangkaian Resonansi Ekivalen pada Kondisi Pre-heat dan Ignition (c) Rangkaian Resonansi Ekivalen Kondisi Running , lampu menyala Untuk memenuhi kondisi pengoperasian (kondisi preheat, ignition, dan kondisi running) lampu fluorescent, maka pengendaliannya dilakukan dengan cara mengubah besarnya frekuensi dari tegangan inverter Vs , yang mana pengendaliannya dilakukan oleh rangkaian kontrol ballast (dibahas pada BAB III). Dengan cara demikian, maka besarnya tegangan dan arus yang diberikan

pada lampu dapat dikendalikan

sedemikian rupa sehingga semua kondisi

persyaratan dalam pengoperasian lampu fluorescent dapat terpenuhi. Untuk menentukan besarnya tegangan dan arus yang memenuhi kondisi dalam pengoperasian lampu fluorescent, maka besarnya pengubahan frekuensi dari tegangan inverter Vs , dilakukan dan ditentukan dengan cara sebagai berikut : 1. Untuk kondisi persyaratan preheat, Pada kondisi ini, lampu TL tidak konduksi/tidak menyala (berarti besarnya resistansi lampu dianggap tak terhingga, rangkaian lampu menjadi open circuit), dan pada kondisi ini rangkaian resonansi ekivalen ditunjukkan oleh gambar 2.6(b), yang mana ini disebut juga dengan rangkaian resonnsi seri LC. Selama kondisi preheat, dan dengan mengabaikan resistansi filamen lampu, maka besarnya frekuensi tegangan inverter Vs ditentukan oleh besarnya frekuensi tegangan output pada kapasitor (karena lampu open circuit), yaitu : f ph =

I ph 2πCV ph

Hz ....................................................... (2.1)

Dan besarnya Fungsi Transfer rangkaian (tegangan output pada lampu dibagi tegangan suplai input) pada kondisi preheat, adalah :

V ph Vs

=

1 4 LCπ f ph − 1 2

...........................................................................(2.2)

Penyelesaian persamaan (2.1) dan (2.2) didapat : 2

V ph

V L 2 V  = − s +  s  + I ph ............................................................ (2.3) 2 C  2

Dimana : Vs = Besarnya tegangan AC input komponen dasar (orde 1) yang berasal dari inverter (Volt) Vph = Besarnya tegangan output lampu pada kondisi preheat (Volt) Iph = Besarnya Arus lampu pada kondisi preheat (A) fph = Besarnya frekuensi tegangan AC input yang berasal dari inverter pada kondisi preheat (Hz)

L = Besarnya induktansi rangkaian resonansi (Henry) C = Besarnya kapasitansi angkaian resoansi (Farad)

2. Untuk kondisi persyaratan ignition Pada kondisi ini lampu masih tetap belum menyala, dan rangkaian resonansi ekivalennya ditunjukkan oleh Gambar 2.6(b). Besarnya frekuensi tegangan inverter Vs pada kondisi ignition didapat dari persamaan (2.2), yaitu

f ign = −

1+

1 + 2π

Vs Vign

LC

:

............................. (2.4)

Besarnya arus ignition yang mengalir dalam rangkaian, yaitu : I ign = 2π f ign C Vign ............................................................................ (2.5) Dimana : Vign = Besarnya tegangan output lampu pada kondisi ignition (Volt) Iign = Besarnya arus yang mengalir dalam rangkaian resonansi pada kondisi ignition (Ampere) fign = Besarnya frekuensi tegangan AC input yang berasal dari inverter pada kondisi ignition (Hz) 3. Untuk kondisi persyaratan running Setelah proses ignition dilalui, lampu akan mulai menyala (starting), dan sekali lampu telah dinyalakan, maka lampu akan tetap menyala, sehingga besarnya resistansi lampu adalah : R =

2 Vrun Ohm .......................... (2.6) 2 Prun

Karena adanya resistansi R dari lampu, maka rangkaian resonansi ekivalen berubah menjadi seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.6(c). Besarnya Fungsi Transfer rangkaian pada kondisi running, adalah :

Vrun = Vs

1 L2 (1 − ω LC ) + 2 ω 2 C 2

2

.......................................................... (2.7)

Besarnya frekuensi tegangan dari inverter Vs pada kondisi running adalah

f run =

1 2π

V 1 −  s 2 1 1 1   1  Vrun − + − −   2 2 LC 2 R 2 C 2 L2 C 2  LC 2 R C 

  

2

....... (2.8)

Dimana : Vrun = Besarnya tegangan output lampu pada kondisi running (Volt) frun = Besarnya frekuensi tegangan AC input yang berasal dari inverter pada kondisi running (Hz) Prun = Besarnya daya output lampu pada kondisi running (Watt) Gambar 2.7 adalah grafik dari magnitude fungsi transfer dari rangkaian Resonansi.

s

Persam aan 2.2 f

Persam aan 2.7

Gambar 2.7. Grafik Magnitudo Fungsi Transfer Tegangan Rangkaian Resonansi

Pendekatan Perancangan Rangkaian Resonansi Untuk keperluan perancangan rangkian ballast elektronik, maka besarnya nilai L yang dibutuhkan, harus dihitung berdasarkan pada daya lampu selama kondisi running.[

]

Transfer daya optimum terjadi pada frekuensi resonansi dari rangkaian Gambar 2.6(c), dan Teorema Transfer Daya Maksimum menyatakan bahwa, untuk mendapatkan transfer daya maksimum ke beban (lampu), maka haruslah besarnya tegangan jatuh pada komponen induktor L sama dengan setengah kali besarnya tegangan input Vs (lihat pada Gambar 2.6(c)), atau dinyatakan dalam bentuk persamaan arus input Is , adalah :

Is =

1/2 . Vs V Vs = s = .......................................................... (2.9) XL 2ωL 2 π f run L

Daya input yang berasal dari inverter Vs adalah : Ps =

Vs I s 2

..................................................................................... (2.10)

Atau dalam bentuk persamaan efisiensi :

η=

Daya Output pada lampu kondisi running Prun = .......................(2.11) Daya input dari inverter Ps

Substitusikan persamaan (2.9), (2.10), dan (2.11), maka didapat besarnya nilai induktansi L yang dibutuhkan berdasarkan daya lampu pada kondisi running, yaitu : L

Vs2 η 2 2 π f run Prun

Dimana :

............................................(2.12)

= Efisiensi ballast elektronik, yang harus mencakup rugi-rugi switching dan rugi panas pada inverter, serta rugi-rugi pada komponen induktor (%)

Prun = Daya lampu pada kondisi running (Watt) Untuk menentukan besarnya nilai kapasitor C, dilakukan dengan cara iterasi dari persamaan 2.1 dan 2.4, sedemikian sehingga memenuhi fph > fign

2.3.2. Rangkaian Inverter : Half-Bridge Inverter Ada dua bentuk topologi dasar dari rangkaian inverter, yaitu Votage Source Inverter (VSI) dan Current Source Inverter (CSI). Pada sub bab ini, pembahasan hanya menjelaskan VSI. Gambar 2.8(a) adalah rangkaian Half Bridge VSI, dimana dua buah kapasitor (C+ dan C-) dengan nilai kapasitansi yang besar, disediakan untuk membuat sebuah titik netral N dan juga berfungsi untuk menahan atau mensaring (filter) arus harmonik orde rendah. Gambar 2.8.(b) adalah bentuk topologi yang sama seperti Gambar 2.8.(a), dimana Saklar S+ dan S- diganti dan direalisasikan oleh komponen semikonduktor MOSFET.

Rangkaian inverter dioperasikan dengan cara saklar S+ dan S- di-on dan dioff secara bergantian, sehingga memberikan tegangan konstan sebesar ½ VDC pada tiap-tiap kapasitor . Untuk menghindari keadaan hubung singkat pada tegangan sumber DC, maka saklar S1 dan S2 tidak boleh on secara

Gambar 2.8. Topologi Rangkaian Half Bridge VSI

Ada dua kondisi keadaan saklar yang perlu diperhatikan , yaitu kondisi terdefinisi (state 1 dan state 2) dan kondisi tak terdefinisi (state 3), seperti yang ditunjukkan pada tabel 1. Oleh karena itu, untuk menghindari terjadinya hubung singkat pada bus DC dan untuk menghindari kondisi tegangan keluaran AC yang tidak terdefinisi, maka diperlukan suatu teknik switching (yaitu dengan memberikan sinyal input frekuensi tinggi yang berbentuk pulsa pada bagian gate dari MOSFET) yang biasanya menggunakan sinyal PWM/Pulse Width Modulation, lihat gambar 2.8.(b)), yang harus menjamin bahwa pada sembarang keadaan baik itu saklar S+ atau S- , harus ada dalam keadaan on.

Tabel 2.1. Keadaan Saklar pada rangkaian Half Bridge VSI

Keadaan

State

Vs

S+ on dan S- off

1

+½ VDC

S- on dan S+ off

2

-½ VDC

S+ dan S- keduanya off

3

-½ VDC

Gambar 2.9 adalah bentuk gelombang keluaran rangkaian Half Brigde VSI yang berbentuk gelombang persegi. Dengan menggunakan analisa Deret Fourrier, besarnya keluaran Amplitudo tegangan komponen dasar (orde 1) dari deret harmonisa gelombang persegi adalah[ ] : Vo =

π  VDC 

  ..... (2.13) 4 2 

Gambar 2.9. Bentuk gelombang keluaran Half Bridge VSI

2.4.

Rangkaian Kontrol Ballast Elektronik (Resonant Inverter) : Implementasi Dengan Menggunakan IC, IR21571 Rangkaian terpadu (IC, Integrated Circuits) IR21571 adalah rangkaian yang disedikan khusus digunakan untuk mengendalikan dan mengoperasikan rangkaian ballast elektronik. Pengoperasian dan penjelasan kaki (pin) dari IC dibeikan oleh datasheets dan dapat dibaca pada bagian lampiran.

Gambar 2.10 adalah bentuk rangkaian pengendali ballast elektronik frekuensi tinggi yang digunakan untuk mengoperasikan lampu fluorescent. Rangkaian ini menggunakan IC (Integrated Circuit) IR21571 sebagai pusat pengendalian dalam pengoperasian lampu fluorescent, yaitu dengan cara memprogram secara fleksibel oleh komponen luar pada sisi masukkannya, yang mana tujuannya adalah untuk menghasilkan keluaran frekuensi operasi lampu yang bisa diubah-ubah berdasarkan kondisi persyaratan preheat, ignition, dan running dari pengoperasian lampu fluorescent. Peralihan (transisi) dari setiap titik nilai frekuensi operasi berjalan sangat mulus (smooth). Selain itu, IR21571 juga menyediakan masukan (input) untuk memproteksi rangkain dari berbagai macam gangguan seperti, proteksi arus lebih (over current), proteksi tegangan lebih (overvoltage), proteksi

dari tegangan kurang (udervoltage), mendeteksi

terputusnya elektroda filamen lampu Tl, dan mendeteksi keberadan lampu fluorescent yang terpasang. Prosedur yang dilakukan untuk memprogram masukkan (input) pada IR21571 adalah dengan memilih parameter-parameter masukan (input) untuk menghasilkan keluaran pada titik frekuensi operasi yang diinginkan. Penentuan besarnya nilai komponen luar yang terhubung pada IR21571 dilakukan dengan menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut : [

RT =

Rrun

]

 1,33  1 0,56.R DT CT  Ohm ...................................................... (2.14)  CT  2 f ign 

 1   − t deadtime   2 f run  = Ohm .............................................. (2.15)  1  1  1− − t deadtime  RT CT  2 f run 

C ph =

1 CT

t ph 515 . 10 6

...................................................................................... (2.16)

RDT =

1,41 t deadtime .................................................................................. (2.17) CT

RCS =

ROC 50 µA ................................................................................... (2.18) I ign

C ign =

R ph

t ign 3R ph

............................................................................................. (2.19)

 1,33  1 − 0,56 R DT CT   CT  2 f ph  = ................................................ (2.20)  1,33  1 1− − 0,56 R DT CT   RT CT  2 f ph 

Gambar 2.10. Diagram rangkaian pengendali ballast elektronik

Parameter-parameter tph , tdeadtime , tign , dan CT

semuanya dipilih dan

disesuaikan dengan perancangan yang diniginkan. Komponen lain yang dibutuhkan seperti dioda, kapasitor, dan resistor (yang ditunjukkan oleh gambar 2.10) semuanya digunakan untuk Power-up, snubbing, bootstrapping, dan DC blocking. Dan dalam penentuannya harus disesuaikan dengan datasheets IC yang disediakan oleh manupakture.

2.5.

DC Power Supply : Rangkaian Konverter AC-DC (Rectifier) Gambar 2.11(a) adalah topologi rangkaian Power Supply DC, yaitu rangkaian konverter AC-DC (Rangkaian dioda jembatan) yang menggunakan filter R-C. Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah, ketika setengah gelombang positif dari tegangan sesaat sumber vs lebih tinggi dari pada tegangan kapasitor

v L , dioda D1 dan D2 konduksi, maka kapasitor C akan di isi muatannya (charging) sampai tegangannya sama dengan besar tegangan maksimum sumber. Dan ketika tegangan sumber v s mulai turun dibawah besarnya nilai tegangan kapasitor, dioda D1 dan D2 tidak konduksi (dibias balik oleh tegangan kapasitor), maka kapasitor akan melepaskan muatannya (discharging) ke beban melalui resistor R.

(a)

Gambar 2.11. Rangkaian konverter AC ke DC, (a) dengan filter kapasitor C, (b). Bentuk gelombang keluaran,

(b)

Ketika setengah gelombang negatif dari tegangan sesaat sumber v s , dioda D3 dan D4 konduksi, maka kapasitor C yang sedang melepaskan muatannya (belum seluruh muatannya habis) sudah di isi kembali (charging) sampai tegangannya sama dengan tegangan maksimum sumber. Dan ketika tegangan sumber v s mulai turun dibawah besarnya nilai tegangan kapasitor, dioda D3 dan D4 tidak konduksi (dibias balik oleh tegangan kapasitor), maka kapasitor akan melepaskan muatannya (discharging) ke beban melalui resistor R. Begitu seterusnya proses diulangi lagi dari awal.

Besarnya tegangan kapasitor

vL

nilainya bervariasi antara nilai

maksimum v m dan nilai minimumnya ( v m - v r ( pp ) ), seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.11(b), dimana vr ( pp ) adalah tegangan ripple puncak ke puncak. Dalam perancangannya, jika diinginkan tegangan ripple yang kecil, maka v r ( pp ) dapat diaproksimasi oleh[ ] :

v r ( pp ) =

Vm ,............................................................................. (2.21) f r RC

dimana f r adalah frekuensi ripple Karena itu, tegangan keluaran rata-rata

 1   ................................................................. (2.22) Vdc = Vm 1 − 2 f r RC   Besarnya nilai komponen R ditentukan berdasarkan daya rating PR dari komponen resistor tersebut, yaitu : Vdc2 R= ....................................................................................... (2.23) PR Dapat dilihat pada gambar 2.11(b), bahwa sudut konduksi

tiap dioda

akan semakin kecil ketika besarnya keluaran tegangan ripple v r ( pp ) mengecil, sehingga akibat dari kondisi ini, komponen dioda penyearah akan sangat menderita akibat adanya hantaman surja arus puncak (surge peak current) yang sangat tinggi secara berulang-ulang. Dan ini akan menyebabkan adanya masalah harmonik pada jaringan distribusi listriknya. Selain itu, kondisi ini akan menyebabkan diode rectifier akan cepat rusak.

BAB III

PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI

Dalam perancangan dan pembuatan prototIpe rangkaian ballast elektronik, perancangan dibagi menjadi 3 bagian blok, yaitu blok DC Power Supply, blok rangkaian resonant inverter, dan blok rangkaian kontrol ballast elektronik. Pembahasan dimulai dari cara menentukan prosedure dalam perancangan tiap blok rangkaian, setelah itu, perancangan aktual dari ballast elektronik yang ingin dibuat prototipenya, dan terakhir adlaah menjelaskan besaran-besaran yang digunakan untuk pengujian dan mengukur performance dari prototipe ballast elektronik.

3.1.

Perosedur perancangan Rangkaian Ballast Elektronik 3.1.1. Perosedur perancangan Rangkaian DC Power Supplly Gambar 3.1 adalah blok rangkaian DC Power Supply yang akan dirancang.

Gambar 3.1. DC Power Supply

Langkah-langkah yang diperlukan dalam perancangannya adalah sebagai berikut : 1. Tentukan besarnya keluaran (output) tegangan Vdc yang diinginkan 2. Tentukan besarnya daya rating resistor PR , dan hitung besarnya nilai resistor R menggunakan persamaan 2.23. 3. Hitung besarnya nilai kapasitor C menggunakan persamaan 2.22.

4. Hitung besarnya nilai tegangan ripple peak-peak menggunakan persamaan 2.21. 5. Tentukan besarnya rating arus dari rangkaian penyearah dioda jembatan (Bridge diode rectifier).

3.1.2. Perosedur perancangan Rangkaian Resonant Inverter

Gambar 3.2. Rangkaian Resonant Inverters

Perancangan blok rangkaian resonant inverters didasarkan pada model rangkaian ekivalen seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.2.diatas.Langkah

langkah

yang

diperlukan

dalam

menentukan

parameter-parameter dari rangkaian resonant inverter adalah : 1. Diinginkan perancangan Rangkaian Resonant Inverter dengan kondisi sebagai berikut : besarnya nilai frekuensi pada kondisi running adalah frun , dan besarnya nilai efisienssi rangkaian resonant inverter (ballast elektronik) yang dihasilkan adalah . 2. Tentukan besarnya tegangan keluaran dari Half Bridge Inverter VS menggunakan persamaan 2.13. 3. Pilih dan tentukan tipe lampu Fluorescent yang akan digunakan dalam perancangan, dan tentukan Prun , Vrun , Vph , Vign Max , dan Iign Max

yang diberikan oleh Datasheets lampu fluorescent yang

digunakan.tersebut. 4. Dengan lampu fluorescent dalam kondisi running, tentukan :

• Besarnya nilai Resistansi lampu fluorescent Rlamp menggunakan persamaan 2.6.

•

Besarnya nilai Induktansi L menggunakan persamaan 2.12.

• . Untuk menentukan nilai

C yang terbaik, iterasi dan hitung

frekuensi fph , fign , dan frun dengan menggunakan persamaan (2.1), (2.4), dan (2.8), sehingga nilai-nilainya memenuhi kondisi persyaratan : fph - fign > 5 kHz.

3.1.3. Perosedur perancangan Rangkaian Kendali Ballast Elektronik Setelah besarnya nilai Rlampu , L , C , fph , fign ,frun , Vph , Vign , dan Iign ditentukan, maka selanjutnya adalah merancang paramaeter-parameter input untuk rangkaian kendali ballas elektronik. Gambar 3.3 adalah blok rangkaian kendali ballast elektronik yang menggunakan IC (rangkaian terpadu) IR21571.

Gambar 3.3. Rangkaian Kendali Ballast Elektronik

Langkah-langkah yang diperlukan dalam mem-program input-an IC IR21571 dalah dengan menentukan besarnya nilai komponenkomponen yang terhubung ke kaki (pin) input IC, yaitu besarnya nilai CPH , CRAMP , RPH , RT , RRUN

, CT ,dan RDT yang ditentukan dengan

menggunakan persamaan (2.14) sampai dengan persamaan (2.20).

Untuk kaki-kaki (pin) IC yang lain adalah digunakan untuk setting sistem proteksi dan untuk mem-Power Up IC IR21571. Ini ditentukan berdasarkan

rekomendasi

dari

datasheet

IC

manufacture,

penentuannya berdasarkan flowchart dari gambar 3.4 dibawah ini.

Gambar 3.4. Flowchart untuk mem-Power Up IR21571 dan setting sistem proteksi

dan

3.2.

Perancangan Aktual Prototipe Ballast Elektronik 3.2.1. Perancangan DC Power Supplly Perancangan mengacu pada blok rangkaian pada Gambar 3.1. 1. Dinginkan keluaran (output) tegangan DC dari perancangan Power Supplly adalah sebesar VDC = 300 Volt (DC), dan daya keluarannya PDC = 45 Watt. 2. Diketahui Tegangan AC sumber jala-jala listrik 220 Volt (RMS) dan frekuensi 50 Hz., maka tegangan AC maksimum-nya :

Vm = 2 VRMS = 2 . 220 = 311,13 Volt. 3. Pilih nilai rating daya resistor sebesar ½ Watt, maka dengan menggunakan persamaan 2.23, besarnya nilai resistor filter Adalah R=

2 V DC 300 2 = = 180.000 = 180 kΩ P 1/ 2

4. Dengan menggunakan persamaan 2.22, besarnya nilai kapasitor filter

 1 adalah : V dc = V m  1 − 2 fRC  C=

1  V 2 fR1 − DC Vm 

  

=

   1

300   2 . 50 . 180000 1 −  311,13  

= 1,55 µF

5. Dengan menggunakan persamaan 2.21., besarnya tegangan ripple peak-peak, v r ( pp ) =

Vm 311,13 = = 22.3 Volt fRC 50 . 180. 10 3 1,55. 10 −6

6. Pemilihan nilai rating arus penyearah dioda jembatan (Bridge diode rectifier) adalah : I DC =

PDC 45 = = 0,15 Ampere . VDC 300

Pilih nilai rating arus penyearah diode jembatan sebesar 1 Ampere.

3.2.2. Perancangan Rangkaian Resonant Inverter Perancangan mengacu pada blok rangkaian pada Gambar 3.2. 1. Dinginkan perancangan Rangkaian Resonant Inverter dengan kondisi sebagai berikut : besarnya nilai frekuensi pada kondisi running adalah frun = 35 kHz , dan besarnya nilai efisienssi rangkaian resonant inverter (ballast elektronik) yang dihasilkan adalah

= 95%

2. Besarnya tegangan keluaran (output) dari Half Bridge Inverter VS adalah ; dengan menggunakan persamaan 2.13. didapat : VS =

π  VDC 

3,14 300 = 157 Volt  = 4 2  4 2

3. Datashets lampu fluorescent Lampu fluorescent yang digunakan adalah dari tipe TLD T8/36W merk Philips, dengan Datashets sebagai berikut : Arus Preheat,

Iph

Tegangan Preheat maksimum,

Vph Max = 300 V

Tegangan Ignition maksimum,

Vign Maks = 550 V

Daya Running,

Prun

= 36 W

Tegangan Running,

Vrun

= 144 V

= 0,6 mA

4. Dengan lampu fluorescent dalam kondisi running, tentukan : a

Besarnya nilai Resistansi lampu fluorescent Rlamp menggunakan persamaan 2.6, yaitu : R Lampu

2 Vrun 144 2 = = = 288 Ohm 2 Prun 2 . 36

b. Besarnya nilai Induktansi L menggunakan persamaan 2.12., L=

Vin2 η f run

2 π 2 Prun

=

300 2. 0,95 35.10 3. 2 . 3,14 2 . 36

c. Besarnya nilai Kapasitansi C, didapat C = 10 nF.

= 4,6 mH

menggunakan persamaan 2.8,

3.2.3. Perancangan Rangkaian Kendali Ballast Elektronik Perancangan mengacu pada blok rangkaian pada Gambar 3.3 1. Menentukan parameter komponen luar yang digunakan untuk memprogram input-an pada kaki (pin) IR21571 Untuk memprogram input IC IR21571 kita menggunakan persamaan (2.14) sampai dengan persamaan (2.20), dan konstanta yang ditentukan dan direkomendasikan oleh datasheet IC dari manufactur, yaitu : tph

= 1,0 detik (s)

tdeadtime= 1. 10--6 detik tign

= 0,15 detik

CT

= 470 pF

Dengan data diatas didapat parameter-parametr komponen yang dibutuhkan adalah :

=

RDT

1,41 t deadtime CT

1,41. 10 −6 =3k = 470. 10 −12 RT

R ph

=

1,33  1 0,56.R DT CT CT  2 f ign

=

1,33 470 . 10 −12

   

  1  0,56 . 3 . 10 3 . 470 . 10 −12  = 33 kΩ 3  2 . 40 . 10 

 1,33  1 − 0,56 RDT CT   CT  2 f ph  =  1,33  1 − 0,56 R DT CT  1−  RT CT  2 f ph 

R ph

  1  − 0,56 . 3 . 10 3 . 470 . 10 −12  3  2 . 48 . 10  =   1,33 1  1− − 0,56 . 3 . 10 3 . 470 . 10 −12  3 −12  3 33 . 10 . 470 . 10  2 . 48 . 10  1,33 470 . 10 −12

= 51 kΩ

RCS =

ROC 50 µA I ign

RCS =

30 . 10 3. 50 . 10 −6 2

C ph =

C ign =

t ph 515 . 10

t ign 3R ph

6

=

=

= 0,75 Ω

1 515 . 10 6

0,15 3 . 51 . 10 3

= 200 nF

= 1 µF

Gambar 3.5 adalah diagram perancangan aktual ballast elektronik yang akan dibuat prototipenya.Komponen lain yang ditunjukkan oleh Gambar 3.5. adalah komponen yang dibutuhkan untuk mem-power up IC IR 21571, dan besarnya disesuaikan dengan yang direkomendasikan oleh IC datasheets dari manufaktur. Tabel 3.1 adalah daftar semua komponen yang dibutuhkan dalam perancangan ballast elektronik aktual.

Gambar 3.5. Skema Rangkaian Ballast Elektronik

Tabel 3.1. Daftar Komponen Rangkaian Ballast Elektronik Jml 1 4 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 2 1

Tipe Komponen Bridge Rectifier Capacitor DC Bus Capacitor Capacitor Capacitor Preheat Time Capacitor Capacitor Resonant Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Capacitor Fast Recovery Diode Diode Diode Fuse Ballast Control IC Resonant Inductor Half-Bridge MOSFET Current Sense Resistor Resistor Deadtime Resistor

Nilai 1:00 AM 100 nF 27 uF 220 pF 100 nF 200 nF 1 uF 10 nF 1.5 nF 10 nF 470 pF 4.7 uF 330 nF 600 V 17 V 1N4148 2:00 AM IR21571 1.9 mH IRF720 0.75 Ohm 100 KOhm 3 KOhm

Rating 1000V 25V 450V 25V 400V 25V 25V 1500V 630V 25V 25V 25V 25V 1A 500mW

Tol

5%

1%

250VAC 5% 1% 1%

Referensi BR1 CBOOT, COC, CSD,CVCC1 CBUS CCS CDC CPH CRAMP CRES CSNUB CSTART CT CVCC2 CVDC DBOOT DCP1 DCP2 F1 IC BALLAST LRES MHS, MLS RCS RDC, RSD RDT

2 1 2 1 1 2 1 1 1 1

Resistor Resistor Resistor Resistor Preheat Frequency Resistor Resistor Resistor Resistor Oscillator Timing Resistor Resistor

20 Ohm 1 KOhm 10 Ohm 30 KOhm 51 KOhm 1 M Ohm 33 KOhm 270 KOhm 33 KOhm 56 KOhm

5%

1% 1% 1% 1%

RHO, RLO RLIM1 RLIM2, RLIM3 ROC RPH RPU, RVAC RSTART RSUPPLY RT RVDC

Gambar 3.6. Foto Prototipe Ballast Elektronik Hasil Rancangan

3.3.

Metode Evaluasi Performance Lampu Fluorescent dan Ballast Elektronik Besaran-besaran

berikut

adalah

besaran

yang

digunakan

untuk

mengevaluasi performance dari lampu fluorescent dan rangkaian ballast, dimana tujuan dari evaluasi ini adalah untuk menentukan kualiatas dari hasil rancangan, yaitu : 1. Kuat Fluks Cahaya Lampu, adalah total keluaran cahaya dari lampu. Diukur dalam satuan Lumen 2. Luminous Efficacy, adalah efisiensi pencahayaan, dan didefinisikan sebagai perbandingan antara Keluaran Cahaya Lampu terhadap Daya Input yang dikonsumsi oleh lampu, diukur dalam satuan Lumen/Watt. Atau,

Keluaran Cahaya Lampu Daya Input

=

Lumen Watt

3. Ballast Factor, BF, adalah perbandingan keluaran cahaya lampu yang menggunakan ballast yang akan

di uji terhadap keluaran cahaya lampu,

dengan yang menggunakan ballast referensi. Lampu yang digunakan adalah sama.,satuannya dalam Persen (%) BF

=

Keluaran Cahaya lampu dengan Ballast yang akan di uji Lumen = x 100% Keluaran Cahaya dengan Ballast Referensi Lumen

4. Ballast Efficacy Factor, BEF,

adalah efisiensi ballast, dan didefinisikan

sebagai perbandingan antara Ballast Factor terhadap daya input. Satuannya Persen/Watt. =

BEF

BF DayaInput

=

% Watt

5. Power Factor, PF, adalah faktor daya, dan didefinisikan sebagai perbandingan antara Daya Nyata (Watt) terhadap Daya Apparent (Volt Ampere). PF

=

P (Watt ) S (VA)

BAB IV PENGUJIAN PROTOTIPE BALLAST ELEKTRONIK

Untuk mengetahui kualitas dari hasil perancangan, maka protototipe Ballast Elektronik perlu di uji, yang mana tujuannya adalah untuk melihat apakah hasil rancangan telah sesuai dengan apa yang diharapkan. Pengujian dilakukan dalam dua tahap, dimana tahap yang pertama adalah, mengukur tegangan keluaran DC dari penyearah (Rectifier), mengukur tegangan keluaran dari Half Bridge Inverter, dan mengukur tegangan pada lampu fluorescent. Pengujian tahap kedua adalah, membandingkan beberapa pengukuran parameter performance dari prototipe ballast Elektronik hasil rancangan dengan ballast elektromagnet (kumparan induktror)

4.3.

Peralatan Pengukuran Yang Digunakan Peraltan yang digunakan untuk pengukuran dalam pengujian prototipe rangkaian ballast elektronik adalah sebagai berikut : 1. Amperemeter 2. Voltmeter 3. Multitester 4. Wattmeter 5. Luxmeter 6. Osiloskop 7. Autotransformator Gambar 4.1 adalah foto alat ukur yang digunakan untuk pengujian rangkaian ballast elektronik.

Osiloskop Watt,ampere,volt meter

Autotransformator

Multitester

Luxmeter 4.2. Pengukuran Tegangan keluaran Rectifier

4.2 Perbandingan Pengujian antara Ballast Elektronik dan Ballast Elektromagnet Tabel 4.1 adalah data hasil pengukuran yang dilakukan terhadap ballast referensi, dimana ballast referensi yang digunakan adalah dari jenis ballast elektronik merk Phlips yang ada tersedia di pasaran bebas.

Tabel 4.1 Data Pengukuran Ballast Referensi (Merk Philips) Vinput Ballast (Volt) 230 220 210 200 190 180 170 160 150

Poutput Ballast (Watt) 34 34 34 32 30 28 26 24 22

Output Cahaya Lampu (Lumen) 1850 1775 1725 1675 1575 1525 1475 1350 1250

4.2.1 Pengujian dan Perhitungan Performance pada Pengoperasian Lampu Fluorescent dengan Menggunakan Prototipe Ballast Elaktronika. Tabel 4.2 adalah hasil pengukuran pada pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan prototipe ballast elektronik hasil rancangan.

Tabel 4.2. Data Hasil pengukuran Ballast Elektronik Vinput Ballast (Volt) 230 220 210 200 190 180 170 160

Iinput Ballast (Amp) 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18 0.18

Pinput Ballast (Watt) 42 40 38 36 36 36 34 32

Voutput Ballast (Volt) 65 64 64 64 64 70 72 75

Ioutput Ballast (Amp) 0.28 0.27 0.26 0.26 0.24 0.22 0.21 0.2

Poutput Ballast (Watt) 35 35 32 31 30 30 28 28

Output Cahaya Lampu (Lumen) 2000 1975 1925 1875 1850 1800 1775 1700

Dari data pada Tabel 4.2 dapat dilakukan beberapa perhitungan untuk mengukur dan melihat beberapa parameter unjuk kerja (performanace) dari prototipe ballast elektronik hasil rancangan, yaitu dengan menggunakan rumusrumus seperti yang telah dijelaskan pada Sub-Bab 3.3, diantaranya adalah ; Efisiensi Total

, Luminous Efficacy (LE), Ballast Factor (BF), dan Ballast

Efficacy Factor (BEF). Hasil perhitungan Performance Ballast Elektronik, adalah sebagai berikut : 1. Perhitungan Efisiensi Total

η=

Daya Keluaran Ballast ( Poutput ) Daya Masukkan Ballast ( Pinput )

x 100%

Dari data pada Tabel 4.2, perhitungan Efisiensi Total , adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Daya Masukkan pada ballast sebesar Pinput = 42 Watt, dan Daya Keluaran ballast sebesar Poutput = 35 Watt., maka Efisiensi Total , adalah,

η=


x 100% =

35 W x 100% = 83,0 % 42 W

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 220 Volt, didapat Daya Masukkan pada ballast sebesar Pinput = 40 Watt, dan Daya Keluaran ballast sebesar Poutput = 35 Watt., maka Efisiensi Total , adalah,

η=


x 100% =

35 W x 100% = 87,5 % 40 W


η=


x 100% =

32 W x 100% = 84,2 % 38 W


η=


x 100% =

31 W x 100% = 86,1 % 36 W


η=


x 100% =

30 W x 100% = 83,3 % 36 W


η=


x 100% =

30 W x 100% = 83,3 % 36 W


η=


x 100% =

28 W x 100% = 85,2 % 34 W


η=


x 100% =

28 W x 100% = 87,5 % 32 W

2. Perhitungan Luminous Efficacy (LE), disebut juga Efisiensi Pencahayaan LE =

Keluaran Kuat Fluks Cahaya Lampu Daya Input ke Lampu (Daya Output Ballast)

=

Lumen Watt

Dari data pada Tabel 4.2, Perhitungan Luminous Efficacy (LE) adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Daya Masukkan ke lampu dan ballast sebesar Pinput = 42 Watt, dan Kuat Fluks Cahaya dari Keluaran Lampu sebesar 2000 Lumen., maka Luminous Efficacy (LE) adalah, LE =

Keluaran Kuat Fluks Cahaya Lampu 2000 Lumen = = 47,6 Lumen / W Daya Input 42 Watt

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 220 Volt, didapat Daya Masukkan ke lampu dan ballast sebesar Pinput = 40 Watt, dan Kuat Fluks Cahaya dari Keluaran Lampu sebesar 1975 Lumen., maka Luminous Efficacy (LE) adalah, LE =














3. Perhitungan Ballast Factor (BF) BF

=

Keluaran Cahaya lampu dengan Ballast yang akan di uji x 100% Keluaran Cahaya dengan Ballast Referensi

Dari data pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2, Perhitungan Ballast Factor (BF) adalah :

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1850 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Prototipe Hasil Rancangan adalah sebesar 2000 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah, BF

=

2000 Lumen x 100% = 108,11% 1850 Lumen


=

1975 Lumen x 100% = 111,27% 1775 Lumen


=

1925 Lumen x 100% = 111,59% 1725 Lumen


=

1875 Lumen x 100% = 111,94% 1675 Lumen

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 190 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1575 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang

menggunakan ballast Prototipe Hasil Rancangan adalah sebesar 1850 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah, =

BF

1850 Lumen x 100% = 117,46% 1575 Lumen

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 180 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1525 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Prototipe Hasil Rancangan adalah sebesar 1800 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah, =

BF

1800 Lumen x 100% = 118,03% 1525 Lumen


BF

1775 Lumen x 100% = 120,33% 1475 Lumen


BF

1700 Lumen x 100% = 125,93% 1350 Lumen

4. Perhitungan Ballast Efficacy Factor (BEF), disebut juga Efisiensi Ballast BEF

=

BF Daya Input

=

% Watt

Dari data pada Tabel 4.1 dan dari hasil perhitungan Ballast Faktor pada poin 3 diatas, maka Perhitungan Ballast Efficacy Factor (BEF) adalah :

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Balasst Factor BF = 108,11 %, dan Daya Masukkan ke Lampu dan Ballast Pinput = 42 Watt, maka Ballast Efficacy Factor (BEF) adalah, BEF

=

108,11 % BF = = 2,57 % / W Daya Input 42 Watt


=



=



=



=



=

BF 118,103% = = 3,27 % / W Daya Input 36 Watt


=



=


Dari beberapa hasil perhitungan Performance diatas, hasilnya dapat diringkas dan direkap, seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 4.3.

Tabel 4.3. Rekapitulasi Hasil Perhitungan Performance Ballast Elektronik LE BF BEF Vinput (%) (Volt) Total (Lumen/Watt) (%) (% / Watt) 230 220 210 200 190 180 170 160

83,0 87,5 84,2 86,1 83,0 83,3 85,2 87,5

47,6 49,4 50,7 52,1 51,4 50,0 52,2 53,1

108,11 111,27 111,59 111,94 117,46 118,03 120,33 125,93

2,57 2,78 2,94 3,11 3,26 3,27 3,54 3,95

Keterangan Hasil Pengujian dan Perhitungan Performance: Dari hasil pengujian pada Tabel 4.2

terlihat bahwa Tegangan

pengoperasian lampu fluorescent dapat divariasikan tegangan input-nya sekitar antara 230 – 160 volt dan menghasilkan arus masukkan yang konstan sebesar 0,18 Ampere. Hasil rekapitulasi perhitungan pada Tabel 4.3, didapat beberapa nilai rataratanya, yaitu :

1. Efisiensi Total Rata-rata dari pengoperasian lampu fluorescent dengan yang mengggunakan Prototipe Ballast Elektronik hasil rancangan adalah :

η Rata −rata =

83,0 + 87,5 + 84,2 + 86,1 + 83,0 + 83,3 + 85,2 + 87,5 = 85 % 8

2. Luminous Efficacy (Efisiensi Pencahayaan) Rata-rata adalah : LE Rata − rata =

47,6 + 49,4 + 50,7 + 52,1 + 51,4 + 50,0 + 52,2 + 53,1 = 50,8 Lum / W 8

3. Ballast Factor (BF) Rata-rata adalah : 108,11 + 111,27 + 111,59 + 111,54 + 117,46 + 118,03 + 120,33 + 125,93 8 = 115,53 %

BFRata −rata =

4. Ballast Efficacy Factor (BEF) Rata-rata adalah, BEFRata − rata =

2,57 + 2,78 + 2,94 + 3,11 + 3,26 + 3,27 + 3,54 + 3,95 = 3,18 % / W 8

4.2.2 Pengujian dan Perhitungan Performance pada Pengoperasian Lampu Fluorescent dengan Menggunakan Ballast Elektromagnet (Kumparan) Tabel 4.4 adalah hasil pengukuran pada pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektromagnet yang sudah ada tersedia di pasaran bebas.

Tabel 4.4. Data Hasil pengukuran Ballast Elektromagnet Vinput Ballast (Volt) 230 220 210 200 190 180 170 160

Iinput Ballast (Amp) 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22 0.22

Pinput Ballast (Watt) 45 42 39 0 0 0 0 0

Voutput Ballast (Volt) 110 100 210 200 190 180 170 160

Ioutput Ballast (Amp) 0,22 0.22 0.22 0 0 0 0 0

Poutput Ballast (Watt) 32 31 31 31 30 30 28 28

Output Cahaya Lampu (Lumen) 1500 1475 1460 Off Off Off Off Off

Dari data pada Tabel 4.4 dapat dilakukan beberapa perhitungan untuk mengukur dan melihat beberapa parameter unjuk kerja (performanace) dari ballast elektromagnet, yaitu dengan menggunakan rumus-rumus seperti yang

telah dijelaskan pada Sub-Bab 3.3, diantaranya adalah ; Efisiensi Total

,

Luminous Efficacy (LE), Ballast Factor (BF), dan Ballast Efficacy Factor (BEF).Hasil perhitungan Performance Ballast Elektromagnet, adalah : 1. Perhitungan Efisiensi Total

η=


x 100%

Dari data pada Tabel 4.2, perhitungan Efisiensi Total , adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Daya Masukkan pada ballast sebesar Pinput = 45 Watt, dan Daya Keluaran ballast sebesar Poutput = 32 Watt., maka Efisiensi Total , adalah,

η=


x 100% =

32 W x 100% = 71,0 % 45 W


η=


x 100% =

31 W x 100% = 73,0 % 42 W


η=


x 100% =

31 W x 100% = 79,0 % 39 W

2. Perhitungan Luminous Efficacy (LE), disebut juga Efisiensi Pencahayaan LE =

Keluaran Kuat Fluks Cahaya Lampu = Daya Input ke Lampu (Daya Output Ballast)

Lumen Watt

Dari data pada Tabel 4.2, Perhitungan Luminous Efficacy (LE) adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Daya Masukkan ke lampu dan ballast sebesar Pinput = 45 Watt, dan Kuat Fluks Cahaya dari Keluaran Lampu sebesar 1500 Lumen., maka Luminous Efficacy (LE) adalah,

LE =






3. Perhitungan Ballast Factor (BF) BF

=

Keluaran Cahaya lampu dengan Ballast yang akan di uji x 100% Keluaran Cahaya dengan Ballast Referensi

Dari data pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2, Perhitungan Ballast Factor (BF) adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1850 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast elektromagnet adalah sebesar 1500 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah, BF

=

1500 Lumen x 100% = 81,0% 1850 Lumen

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 220 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1775 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast elektromagnet adalah sebesar 1475 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah, BF

=

1475 Lumen x 100% = 83,% 1775 Lumen

* Untuk Tegangan input ballast Vinput = 210 Volt, didapat Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast Referensi adalah sebesar 1725 Lumen, dan Keluaran Cahaya dari lampu dengan yang menggunakan ballast elektromagnet adalah sebesar 1460 Lumen., maka Ballast Factor (BF) adalah,

=

BF

1460 Lumen x 100% = 84,0% 1725 Lumen

4. Perhitungan Ballast Efficacy Factor (BEF), disebut juga Efisiensi Ballast BEF

=

BF Daya Input

=

% Watt

Dari data pada Tabel 4.1 dan dari hasil perhitungan Ballast Faktor pada poin 3 diatas, maka Perhitungan Ballast Efficacy Factor (BEF) adalah : * Untuk Tegangan input ballast Vinput = 230 Volt, didapat Balasst Factor BF =81,0 %, dan Daya Masukkan ke Lampu dan Ballast Pinput = 45 Watt, maka Ballast Efficacy Factor (BEF) adalah, BEF

=



=



=


Dari beberapa hasil perhitungan Performance diatas, hasilnya dapat diringkas dan direkap, seperti yang ditunjukkan oleh Tabel 4.5.

Tabel 4.5. Rekapitulasi Hasil Perhitungan Performance Ballast Elektromagnet LE BF BEF (%) VAC Total (Volt) (Lumen/Watt) (%) (% / Watt) 230 220 210 200 190 180 170 160

71 73 79 0 0 0 0 0

33,3 35,1 37.43 0 0 0 0 0

81 83 84 0 0 0 0 0

1,8 1,97 2.15 0 0 0 0 0

Keterangan Hasil Pengujian dan Perhitungan Performance: Dari hasil pengujian pada Tabel 4.4

terlihat bahwa Tegangan

pengoperasian lampu fluorescent dapat divariasikan tegangan input-nya hannya sekitar antara 230 – 210 volt, dan menghasilkan arus masukkan yang konstan sebesar 0,22 Ampere. Untuk tegangan input dibawah 200 volt lampu fluorescent sudah tidak dapat dioperasikan (tidak menyala) Hasil rekapitulasi perhitungan pada Tabel 4.5, didapat beberapa nilai rataratanya, yaitu : 1. Efisiensi Total Rata-rata dari pengoperasian lampu fluorescent dengan yang mengggunakan

η Rata −rata =

Ballast

Elektromagnet

71 + 73 + 79 = 74,33 % 3

2. Luminous Efficacy (Efisiensi Pencahayaan) Rata-rata adalah : 33,30 + 35,10 + 37,43 = 35,28 Lumen / Watt 3 Ballast Factor (BF) Rata-rata adalah : LE Rata − rata =

3

BFRata − rata =

81 + 83 + 84 = 82,67 % 3

4. Ballast Efficacy Factor (BEF) Rata-rata adalah, BEFRata − rata =

1.80 + 1,97 + 2,15 = 1,97 % / W 3

adalah

:

4.2.3 Analisa Perbandingan Pegujian Performance antara Ballast Elektronik dengan Ballast Elektromagnet Tabel 4.6 adalah hasil perbandingan pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan prototipe ballast elektronik hasil rancangan dengan yang menggunakan ballast elektromagnet.

Tabel 4.6. Rekapitulasi Hasil Perbandingan Ballast Elektronik dengan Ballast Elektromagnet BEF LE Variasi Tegangan (%) BF (%) input (volt) Total (Lumen/Watt) (% / Watt) A B A B A B A B A B 230 -160

230 - 210

85

74,33

50,80

35,28

115,53

82,67

3,18

1,97

Keterangan Tabel : A : adalah Pengoperasian Lampu Fluorescent yang menggunakan Ballas Elektronik B : adalah Pengoperasian Lampu Fluorescent yang menggunakan Ballas Elektromagnet Terlihat dari Tabel 4.6 diatas, bahwa secara keseluruhan, pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik Performance-nya jauh lebih baik dari pada pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektromagnet. Pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektromagnet, hanya bisa dioperasikan pada tegangan input diatas 210 – 230 Volt, pengoperasian dibawah 210 Volt keadaan lampu sudah tidak dapat menyala (padam), sedangkan pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektronik lampu akan padam pada tegangan operasi dibawah 160 Volt. Keluaran (output) cahaya yang dihasilkan oleh lampu fluorescent yang dioperasikan dengan menggunakan ballast elektronik jauh lebih terang dari pada keluaran cahaya lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektromagnet, ini dibuktikan dengan nilai Ballast Factor (BF) diatas 100 %, dan ini juga membuktikan bahwa cahayanya lebih terang dari pada yang menggunakan ballast referensi (Ballast Elektronik Merk Philip).

BAB V KESIMPULAN Dari hasil perancangan dan pembuatan protototipe Ballast Elektronik beserta pengujian performance, dapat ditarik beberapa kesimpulan, yaitu : 1. Terlihat pada Tabel 4.6, bahwa Nilai Rata-rata Performance dari pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektronik jauh lebih baik dari pada pengoperasian

lampu

fluorescent

dengan

yang

menggunakan

ballast

lampu

fluorescent

dengan

yang

menggunakan

ballast

elektromagnet 2. Pengoperasian

elektromagnet, hanya bisa dioperasikan pada tegangan input antara 210 – 230 Volt, pengoperasian dibawah 210 Volt keadaan lampu sudah tidak dapat menyala (padam), sedangkan untuk pengoperasian lampu fluorescent dengan yang menggunakan Prototipe ballast elektronik Hasil Rancangan lampu akan padam pada tegangan operasi dibawah 160 Volt. 3. Nilai Rata-rata Efisiensi Total dari pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan Prototipe ballast elektronik Hasil Rancangan adalah 85 %, sedangkan Nilai Rata-rata Efisiensi Total dari pengoperasian lampu fluorescent yang menggunakan ballast elektromagnet adalah 74,33 %. 4. Keluaran (output) cahaya yang dihasilkan oleh lampu fluorescent yang dioperasikan dengan menggunakan Prototipe ballast elektronik Hasil Rancangan jauh lebih terang dari pada keluaran cahaya lampu fluorescent dengan yang menggunakan ballast elektromagnet, ini dibuktikan dengan nilai Ballast Factor (BF) diatas 100 %. Dimana Ballast Factor (BF) untuk Prototipe Ballast Elektronik Hasil Rancangan adalah 115,53 % , sedangkan Ballast Factor (BF) untuk Ballast Elektromagnet adalah 82,67 %.

DAFTAR PUSTAKA 1. Agrawal K. C, 2001, "Industrial Power Engineering and Applications", Plant A Three, British.. 2. George M. Chute, Robert D. Chute, 1971, “Electronics in Industry” , Fourth Edition, Mc Graw Hill Kogakusha, Tokyo 3. Jack Cassaza, Frank Delea, 2003., "Understanding Power Systems", A John Wiley & Sons, Inc Publication. 4. Malvino,1999, “Prinsip-prinsip Elektronik” , Edisi kedua, Terjemahan : Hanapi Gunawan, Penerbit Erlangga, Jakarta. 5. Man-Chung Wong, Zheng-Yi Zhao, Ying-Duo Han and Liang-Bing Zhao, 2001, “Three-Dimensional Pulse-Width Modulation Technique in Three-Level Power Inverters for Three-Phase System” , IEEE Trans.On Power Electronic, Vol .16. 6. Michael Balzarande, 2000, "Electronic Lamp Ballast Design", On Semiconductor Publisher, 7. Mounir Zeraoulia, El Hachemi Benbouzid, 2006 ” Electric Motor Drive Selection issues for HEV propulsion System: A study Comparative” , IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol.55, No.6. 8. Muhammad H. Rashid, 2001 , “Power Electronics Handbook” , Academic Press, San diego. 9. Thomas J. Ribarich, 2001, "New Prosedure for High Frequency Electronic Ballast Design", IEEE Industry Aplication. 10. Supriyono, I nyoman setiawan, September2005, "Peningkatan Kinerja Lampu TL (Fluorescent) Pada Catu Daya dena Regulasi Tegangan Buruk", Jurnal Teknik Elektro Vol. 5 No. 2. 11. Zainal Salam, 2003, “Power Electronics and Drives” , UTMJB. 12. Zuhal, 1997, “Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya” , Erlangga

TUGAS AKHIR PERANCANGAN BALLAST ELEKTRONIK FREKUENSI TINGGI UNTUK LAMPU TL (FLUORESCENT) HEMAT ENERGI

Recommend Documents