TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 860 MHZ Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
ANTHONY 100402045
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 - 860 MHZ Oleh : ANTHONY 100402045 Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk mememperoleh gelar Sarjana Teknik pada DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN Sidang pada tanggal 08 bulan April tahun 2015 di depan Penguji: 1. Ketua Penguji : Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T.M.T 2. Anggota Penguji : Rahmad Fauzi, S.T.M.T Disetujui oleh: Pembimbing,
Ir. Arman Sani, M.T NIP : 196411281991021001
Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si NIP. 195405311986011002
ABSTRAK
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik bebas. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik alternatif. Banyak penelitian yang sudah pernah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Tujuannya adalah menciptakan suatu sistem ramah lingkungan yang bisa menghasilkan energi listrik tanpa sumber tegangan listrik melainkan dengan menggunakan sinyal gelombang elektromagnetik sekitar. Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sistem Ambient Electromagnetic Harvesting dimana digunakan antena yagi TV sebagai antena penerima dan power harvester sebagai rectifier untuk merubah sinyal AC gelombang elektromagnetik daerah frekuensi TV yang diterima pada antena menjadi sinyal listrik DC dan menguatkannya. Sistem ambient electromagnetic harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 433 mV untuk pengukuran di daerah kota Medan, yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio, Sedangkan pengukuran di daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit, diperoleh tegangan rata-rata 2160 mV. Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa semakin dekat ke sumber pemancar semakin besar juga tegangan yang dihasilkan.
Kata kunci: power harvester, wireless power transfer
i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Berkah dan Rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul: “RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470–860 MHZ” Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu (S-1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada: 1.
Bapak Ir. Arman Sani, MT sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang selalu bersedia memberikan bantuan yang sangat dibutuhkan oleh penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2.
Bapak Ir. Masykur Sjani, MT sebagai Dosen Wali penulis yang membantu penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU.
3.
Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4.
Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
ii
5.
Bapak Dr Ali Hanafiah Rambe, ST, MT dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
6.
Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU.
7.
Kedua orang tua penulis atas semangat dan doanya kepada penulis dengan segala pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai.
8.
Teman- teman stambuk 2010 atas dukungan, doa; dan suka duka selama di bangku perkuliahan.
9.
Seluruh senior dan junior di Departemen Teknik Elektro, atas dukungan dan bantuan yang diberikan kepada penulis.
10.
Semua orang yang pernah mengisi setiap detik waktu yang telah dilalui bersama penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Tanpa mereka, pengalaman penulis tidaklah lengkap.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan. Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terimakasih Medan, April 2015 Penulis
Anthony
iii
DAFTAR ISI ABSTRAK ................................................................................................................................. i KATA PENGANTAR ..............................................................................................................ii DAFTAR ISI............................................................................................................................ iv DAFTAR GAMBAR ..............................................................................................................vii DAFTAR TABEL ................................................................................................................... ix BAB I ......................................................................................................................................... 1 1.1
Latar Belakang .......................................................................................................... 1
1.2
Perumusan Masalah.................................................................................................. 2
1.3.
Tujuan Penulisan ...................................................................................................... 2
1.4
Batasan Masalah ....................................................................................................... 2
1.5
Metodologi Penelitian ............................................................................................... 3
1.6
Sistematika Penulisan ............................................................................................... 4
BAB II ....................................................................................................................................... 5 2.1
Gelombang Elektromagnetik ................................................................................... 5
2.2
Antena ........................................................................................................................ 7
2.2.1
Gain ..................................................................................................................... 7
2.2.2
Bandwith ............................................................................................................. 8
2.2.3
VSWR.................................................................................................................. 9
2.2.4
Antena Array..................................................................................................... 10 iv
2.3
Dioda......................................................................................................................... 11
2.4
Kapasitor .................................................................................................................. 12
2.5
Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier) ...................................................... 14
2.6
Power Harvester ...................................................................................................... 15
2.6.1
Jumlah Stage .................................................................................................... 16
2.6.2
Kapasitor Stage ................................................................................................ 16
2.6.3
Kapasitor Output ............................................................................................. 17
2.7
Voltage Gain ............................................................................................................ 18
2.8
Advanced Design System (ADS) 2009 ..................................................................... 19
BAB III.................................................................................................................................... 21 3.1
Gambaran Umum Sistem ....................................................................................... 21
3.2
Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester ............................................. 22
3.3
Perangkat yang Digunakan .................................................................................... 23
3.4
Simulasi .................................................................................................................... 24
3.4.1
Jenis Simulator yang Digunakan.................................................................... 24
3.4.2
Perancangan Rangkaian Simulasi .................................................................. 25
3.5
Perancangan Power Harvester .............................................................................. 25
BAB IV .................................................................................................................................... 28 4.1
Umum ....................................................................................................................... 28 v
4.2
Hasil Simulasi .......................................................................................................... 28
4.2.1
Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage ................................................ 28
4.2.2
Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage .............................................. 31
4.2.3
Simulasi Rangkaian Power Harvester 15-stage .............................................. 32
4.2.4
Simulasi Rangkaian Power Harvester 20-stage .............................................. 33
4.2.5
Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel................................. 34
4.3
Analisa Hasil Simulasi ............................................................................................ 35
4.4
Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester ............................... 37
4.4.1
Pengukuran pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU ............. 37
4.4.2
Pengukuran pada Stasiun Pemancar Televisi ............................................... 38
4.5
Perbandingan Hasil Simulasi dengan Hasil Pengukuran.................................... 39
BAB V ..................................................................................................................................... 41 5.1
Kesimpulan .............................................................................................................. 41
5.2
Saran......................................................................................................................... 41
DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................... x LAMPIRAN
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Antena Sebagai Media Transmisi ................................................................
7
Gambar 2.2
Antena Array ...............................................................................................
10
Gambar 2.3
Antena Yagi-Uda .........................................................................................
11
Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 ....................................................................................
12
Gambar 2.4 (b) Agilent HSMS-2822 ....................................................................................
12
Gambar 2.5
Kondensator.................................................................................................
13
Gambar 2.6
Kapasitor......................................................................................................
14
Gambar 2.7
Rangkaian Pelipat Dua Tegangan ...............................................................
14
Gambar 2.8
2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan ....................................................
16
Gambar 2.9
Kapasitor Stage .............................................................................................
17
Gambar 2.10
Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output ..................
17
Gambar 2.11
Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB) ........
18
Gambar 2.12
Tampilan Awal Advanced Design System 2009 ..........................................
20
Gambar 3.1
Skema proses electromagnetic harvesting ..................................................
21
Gambar 3.2
Diagram Alir Perancangan Power Harvester ..............................................
22
Gambar 3.3
Tampilan Pemilihan Simulator AC pada software ADS .............................
24
Gambar 3.4
Rangkaian Power Harvester 20-stage .........................................................
25
Gambar 3.5
Perancangan papan PCB Power Harvester .................................................
26
vii
Gambar 3.6
Power Harvester 20-stage (atas) .................................................................
26
Gambar 3.7
Power Harvester 20-stage (bawah) .............................................................
27
Gambar 4.1
Rangkaian Power Harvester 5-stage ...........................................................
29
Gambar 4.2
Tuning Kapasitor Stage dan Kapasitor Output ............................................
29
Gambar 4.3
Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan kapasitor 1nF .................
30
Gambar 4.4
Rangkaian Power Harvester 10-stage .........................................................
31
Gambar 4.5
Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF ................
31
Gambar 4.6
Rangkaian Power Harvester 15-stage .........................................................
32
Gambar 4.7
Rangkaian Power Harvester 20-stage .........................................................
33
Gambar 4.8
Rangkaian Power Harvester 10-stage paralel .............................................
34
Gambar 4.9
Grafik hasil simulasi pada ADS ..................................................................
36
Gambar 4.10
Pengukuran pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU ..............................
37
Gambar 4.11
Grafik rise time tegangan pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU.........
38
Gambar 4.12
Grafik rise time tegangan pada Stasiun Pemancar Televisi ........................
38
Gambar 4.13(a) Pemancar TV Bandar Baru ..........................................................................
39
Gambar 4.13(b) Pengukuran pada Pemancar TV ..................................................................
39
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1
Spektrum Frekuensi Gelombang Radio .............................................................. 6
Tabel 4.1
Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage ............................................................ 30
Tabel 4.2
Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage .......................................................... 32
Tabel 4.3
Hasil Simulasi Power Harvester 15-stage .......................................................... 33
Tabel 4.4
Hasil Simulasi Power Harvester 20-stage .......................................................... 34
Tabel 4.5
Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel .............................................. 35
ix
