Rancang Bangun Power Harvester Untuk Transfer Daya Wireless Menggunakan Antena Tv Frekuensi 470 - 860 Mhz

(1)

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

(2)

RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 - 860 MHZ

Oleh :

1. Ketua Penguji : Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T.M.T 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:

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,

(3)

i 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.

(4)

ii 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.

(5)

iii

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

(6)

iv

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

(7)

v

2.3 Dioda ... 11

2.4 Kapasitor ... 12

2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier) ... 14

2.6 Power Harvester ... 15

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

(8)

vi

4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage ... 28

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

(9)

vii

Gambar 2.10 Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output ... 17

Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB) ... 18

(10)

viii

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 4.5 Hasil SimulasiPower Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF ... 31

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

(11)

ix DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio ... 6

Tabel 4.1 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage ... 30

(12)

i

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.

(13)

1 BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada zaman modern ini, energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok bagi manusia, hal ini dikarenakan hampir semua aktifitas kehidupan manusia menggunakan listrik sebagai sumber energi utama. Energi listrik bisa dengan mudah dikonversikan ke dalam bentuk energi lain seperti: gerak, panas, cahaya, dan lain-lain. Sehingga dibutuhkan suatu upaya dalam penyediaan atau penghematan energi tersebut seiring dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat pada saat ini.

Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Banyak penelitian yang sudah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Hasilnya menunjukkan bahwa sinyal TV dan sinyal BTS adalah sumber yang paling memungkinkan untuk dilakukan harvesting dimana sinyal TV memiliki daya pancaran yang paling tinggi dan sinyal BTS memiliki tingkat efisien yang tinggi di daerah perkotaan.

(14)

gelombang elektromagnetik terbimbing. Sedangkan power harvester berfungsi untuk merubah sinyal gelombang elektromagnetik terbimbing (gelombang AC) dari antena menjadi gelombang listrik DC sekaligus menguatkannya. Energi Listrik DC keluaran yang telah dikuatkan tersebut diharapkan dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik berdaya kecil, seperti charge baterai; atau menghidupkan lampu berdaya kecil.

1.2 Perumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Apa yang dimaksud dengan power harvester ?

2. Bagaimana merancang power harvester yang optimal dan menghasilkan tegangan yang paling besar?

3. Apa saja parameter yang mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester ?

1.3. Tujuan Penulisan

Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan merancang bangun power harvester yang digunakan untuk mengubah dan menguatkan sinyal gelombang elektromagnetik yang ditangkap dari ruang bebas dengan sebuah antena pada frekuensi TV Broadcasting dan diharapkan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan energi listrik berdaya kecil.

.

1.4 Batasan Masalah

Agar isi dan pembahasan Tugas Akhir ini menjadi terarah, maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan Tugas

Akhir ini adalah sebagai berikut :

(15)

3

2. Frekuensi yang dibahas yaitu frekuensi TV broadcasting (470 – 860 Mhz)

3. Parameter yang dibahas pada power harvester adalah tegangan yang berhasil diperoleh. 4. Penggunaan simulator Advanced Design System untuk menentukan jumlah stage dan

nilai kapasitor stage yang digunakan.

1.5 Metodologi Penelitian

Metode penelitian yang digunakan adalah :

a. Studi literatur dan bimbingan

Dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan Tugas Akhir yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau dari perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, layanan internet, dan lain-lain. b. Simulasi

Merancang rangkaian power harvester pada software Advanced Design System dan mensimulasikan hasil keluaran dan kapasitor mana yang menghasilkan hasil paling optimal.

c. Perancangan power harvester

Merancang power harvester pada software Proteus 7 Professional dan membangun power harvester tersebut pada PCB.

d. Ujicoba dan analisa data

Melakukan ujicoba secara umum terhadap antena dan power harvester

yang telah dibangun dan mengukur parameternya dengan alat ukur yang ada. e. Kesimpulan

(16)

1.6 Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika penulisan.

BAB II TEORI DASAR

Bab ini berisi penjelasan tentang antena dan power harvester secara umum.

BAB III PERANCANGAN SISTEM

Bab ini berisi penjelasan tentang alat-alat yang digunakan, perancangan rangkaian simulasi dan perancangan power harvester

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang hasil simulasi rangkaian power harvester pada ADS dan pengukuran pada lapangan.

BAB V PENUTUP

(17)

5 BAB II

DASAR TEORI

2.1 Gelombang Elektromagnetik

Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat. Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet) [1].

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz [1].

Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang

gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan

(18)

Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1 [1].

Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio

Nama Band Singkatan Band

(19)

7

2.2 Antena

Antena didefinisikan sebagai suatu perangkat logam (misalnya batang konduktor atau kawat) yang berfungsi meradiasikan atau menerima gelombang radio. Standar IEEE 145-1983 mendefinisikan antena atau aerial sebagai suatu alat yang berfungsi untuk meradiasikan dan menerima gelombang radio. Dengan kata lain antena adalah struktur pengalihan antara ruang bebas dan media pembimbing, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1[2].

Sumber Saluran

Transmisi Antena

Gelombang yang merambat di ruang

bebas

Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi

Media pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk suatu kabel coaxial atau pipa kosong/bumbung gelombang (waveguide), dan media pembimbing ini digunakan untuk membawa energi elektromagnetik dari sumber pancaran (transmitter) hingga sampai ke antena, atau dari antena hingga sampai ke perangkat penerima (receiver)[2].

2.2.1 Gain

(20)

sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut dapat dihitung dengan [2]:

(2.2)

2.2.2 Bandwith

Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”rentang frekuensi antena dengan beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang[2].

(21)

9

dengan :

Bp = bandwidth dalam persen (%)

Br = bandwidth rasio

fu = jangkauan frekuensi atas (Hz)

fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz)

2.2.3 VSWR

VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai

koefisien refleksi tegangan (Γ) [2] :

(2.6)

di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran.

Rumus untuk mendari VSWR adalah [2] :

VSWR = (2.7)

(22)

2.2.4 Antena Array

Berbagai aplikasi memerlukan karakteristik radiasi yang tidak bisa didapatkan dari suatu element tunggal. Sehingga, sangat memungkinkan untuk mengumpulkan elemen-elemen radiasi tersebut untuk dapat disusun pada suatu susunan (array) elektris dan geometris tertentu sehingga menghasilkan karakteristik radiasi tertentu yang diinginkan.

Susunan dari array tersebut dapat menambah atau memberikan pancaran maksimum pada suatu arah tertentu, minimum pada arah lainnya, atau sebaliknya seperti yang diinginkan. Istilah array maksudnya adalah suatu susunan/konfigurasi tertentu dimana elemen pemancar secara individual terpisah pada jarak tertentu. Susunan Array dapat dilihat pada Gambar 2.2 [2].

Gambar 2.2 Antena Array

(23)

11

transmisi dan elemen yang lainnya berfungsi sebagai elemen parasit dengan arus yang terinduksi melalui induktansi bersama[2].

Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda

Antena ini dirancang untuk dapat beroperasi secara khusus sebagai susunan end-fire array dengan cara meletakkan elemen parasit pada berkas depan sebagai pengarah (director) dan elemen yang tersisa lainnya sebagai reflektor. Yagi-Uda telah digunakan sebagai antena TV rumah[2].

2.3 Dioda

(24)

Keluarga dioda Schottky Agilent HSMS-282x terbagi menjadi beberapa macam dibedakan dengan digit terakhirnya. Digit yang berbeda memiliki datasheet rangkaian yang berbeda pula. Contoh dioda yang sering digunakan HSMS-2820 dapat dilihat pada Gambar 2.4 (a), memiliki 3 pin dengan 2 pada sisi yang sama dan 1 pada sisi yang lain membentuk segitiga, pin ke-3 biasa tidak digunakan. Sedangkan pada Gambar 2.4 (b) dapat dilihat merupakan konfigurasi dari HSMS-2822 yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Semua pin terhubung satu sama lain membentuk suatu segitiga. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat langsung pada datasheet rangkaian dioda Schottky Agilent-282x pada Lampiran 1 pada Tugas Akhir ini [4].

(a) (b)

Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 (b) Agilent HSMS-2822

2.4 Kapasitor

Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah sebuah komponen elektronika

pasif yang dapat

ketidakseimbangan internal dari

dari nama

(25)

13

ilmuwacondensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya [5].

Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yait

serta memiliki caira

pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Kondensator

(26)

Gambar 2.6 Kapasitor

2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)

Pelipat-ganda-tegangan adalah dua atau lebih penyearah puncak yang menghasilkan tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan masuk (2Vp, 3Vp, 4Vp, dan seterusnya). Catu daya ini digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi/arus rendah seperti CRT (tabung sinar katoda) TV, osiloskop, dan computer display. [4]

(27)

15

Gambar 2.7 menggambarkan sebuah rangkaian 1-stage pelipat dua tegangan. Gelombang RF disearahkan pada D2 dan C2 pada setengah siklus positif dan pada D1 dan C1 pada siklus negatif. Tetapi, pada saat setengah siklus positif, tegangan yang disimpan pada kapasitor C1 pada setengah siklus negative di transfer ke C2 sehingga menyebabkan menjadi dua kali dari tegangan yang masuk. Inilah yang menyebabkan rangkaian ini disebut sebagai pelipat ganda tegangan (voltage doubler).

Hal yang paling menarik dari rangkaian ini adalah kita dapat menggabungkannya secara seri seperti kita menggabungkan baterai secara seri untuk mendapat tegangan output yang lebih besar. Anggap digunakan baterai dengan tegangan Vo yang memiliki tahanan dalam Ro. Ketika dihubungkan secara seri pada sebanyak n buah dan dihubungkan pada beban RL, tegangan

keluaran akan seperti Persamaan 2.8,

(2.8)

Dari Persamaan 3.1, dapat dilihat bahwa Vo, Ro dan RL adalah sebuah nilai konstanta

maka nilai tegangan output berbanding lurus dengan jumlah nilai n, dimana semakin besar n yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar [4].

2.6 Power Harvester

Power harvester merupakan suatu alat yang digunakan untuk memanen kembali energi yang berada pada alam ini dan mengubahnya menjadi energi listrik. Biasanya rangkaian pada

(28)

2.6.1 Jumlah Stage

Jumlah stage, yang ditunjukan pada Gambar 2.8 merupakan sistem yang paling berpengaruh pada tegangan keluaran. Kapasitansi pada stage dan ujung rangkaian mempengaruhi kecepatan dari respon transient dan kestabilan dari sinyal keluaran.

Gambar 2.8 2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan

2.6.2 Kapasitor Stage

(29)

17

Gambar 2.9 Kapasitor Stage

2.6.3 Kapasitor Output

Variabel yang paling sedikit memberikan efek pada sistem yang akan dirancang ini adalah kapasitor output yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Nilai dari kapasitor ini hanya mempengaruhi kecepatan dari respon transient. Semakin besar nilai kapasitor output yang digunakan, maka semakin lambat rise time tegangan. Jadi penggunaan kapasitor output yang semakin kecil adalah yang terbaik, atau kalau bisa tanpa menggunakan kapasitor. Tetapi jika tanpa kapasitor, output sinyal yang dihasilkan bukan berupa sinyal DC yang bagus melainkan sinyal AC offset, atau sinyal DC dengan ripple.

(30)

2.7 Voltage Gain

Secara umum untuk menggambarkan gain tegangan dari sebuah penguat dengan satuan sekian desibel, ini tidak benar-benar digunakan secara akurat untuk setiap unit. Hal ini boleh saja menggunakan desibel untuk membandingkan output dari sebuah penguat pada frekuensi yang berbeda, karena semua pengukuran daya output atau tegangan diambil dengan impedansi yang sama (beban penguat), tetapi saat menjelaskan gain tegangan (antara input dan output) dari sebuah penguat, input dan output tegangan sedang dikembangkan di seluruh impedansi sangat berbeda. Namun hal ini boleh diterima secara luas juga menjelaskan gain tegangan dalam desibel. Adapun Persamaan 2.9 dibawah merupakan perbandingan rumus perbandingan tegangan dalam decibel dan pada Gambar 2.11 merupakan grafik perbandingan tegangan dengan level tegangan (dalam dB).

(2.9)

(31)

19

2.8 Advanced Design System (ADS) 2009

Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang RF, microwave, dan aplikasi

digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang paling inovatif dan sukses secara komersial.

Banyak perusahaan besar yang bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE, multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit.

Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai berikut:

1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout PCB Allegro. 2. Kemampuan untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya

pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE.

3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi.

4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa cirri kanal, dan dapat menjalan jutaan bit data dalam hanya beberapa menit.

(32)

(33)

21 BAB III

PERANCANGAN SISTEM

3.1 Gambaran Umum Sistem

Wireless power transfer (WPT) adalah transmisi energi listrik dari sumber listrik ke beban listrik interkoneksi tanpa kabel. Wireless power transfer berbeda dengan transmisi informasi secara wireless. Pada transmisi informasi parameter penting yang digunakan adalah signal to noise ratio (SNR) menjadi parameter penting, pada wireless power transfer efisiensi menjadi parameter paling penting.

Wireless power transfer dibagi menjadi dua macam yaitu near field dan far field. Near field berarti transmisi energi listrik dilakukan dalam jarak yang relatif dekat yaitu sekitar beberapa meter saja. Sedangkan far field berarti transmisi energi dilakukan dalam jarak jauh dalam jarak beberapa kilometer. Contoh far field adalah electromagnetic harvesting atau radio frequency harvesting adalah pengambilan medan elektromagnetik untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Sistem electromagnetic harvesting terdiri atas antena, rectifier, dan rangkaian penguat tegangan. Adapun skema alat ambient electromagnetic harvesting dapat dilihat pada Gambar 3.1 [6].

(34)

3.2 Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester

Pengerjaan power harvester dimulai dari perencanaan dan simulasi, proses perakitan rangkaian, dan pengujian hasil rangkaian. Gambar 3.2 merupakan diagram alir dari perancangan sistem ini.

(35)

23

3.3 Perangkat yang Digunakan

Perancangan alat power harvester ini menggunakan beberapa perangkat lunak untuk membantu penulis dalam mengetahui karakteristik dari power harverster dan perancangan rangkaian power harvester tersebut. Adapun perangkat lunak yang digunakan adalah Advanced Design System 2009, perangkat ini digunakan untuk mensimulasikan rangkaian yang akan dibuat, dan Proteus ARES 7 Professional digunakan untuk merancang rangkaian yang akan dibuat. Peralatan keras yang digunakan adalah sebagai berikut:

1. Laptop Acer Aspire 4738G. 2. Meteran dan penggaris. 3. Spidol.

4. Pisau cutter.

5. Tang jepit dan tang potong. 6. Gerinda.

7. Bor tangan. 8. Timah solder. 9. Papan PCB polos. 10.Larutan Ferit Klorida. 11.Solder dan penghisap timah.

12.Multimeter digital

13.Kapasitor

14.Dioda HSMS-2822-TR1G 15.Kabel listrik

16.Konektor antena

(36)

3.4 Simulasi

Pada Tugas Akhir ini, akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester untuk mendapatkan kapasitor manakah yang dapat menghasilkan keluaran tegangan yang paling maksimal.

3.4.1 Jenis Simulator yang Digunakan

Pada software ADS ini terdapat banyak sekali parameter parameter simulasinya. Untuk

simulator Analog/RF terbagi menjadi: circuit simulators, AC simulation, DC simulation, S-parameter simulation, harmonic balance simulation, gain compression simulation, channel simulation, dan lain-lain. Pemilihan simulator tersebut sangat penting dimana itu yang menunjukkan tampilan hasil output yang akan di simulasi.

Pada Tugas Akhir ini simulator pada ADS yang akan digunakan adalah AC Simulation, dimana komponen simulasi AC menunjukkan analisis AC untuk sinyal kecil dan linear. Simulasi AC ini memungkinkan kamu untuk mendapat parameter transfer sinyal kecil seperti: voltage gain, current gain, transimpedance, transadmittance dan linear noise. Berikut pada Gambar 3.3 merupakan tampilan pemilihan simulator AC yang digunakan.

(37)

25

3.4.2 Perancangan Rangkaian Simulasi

Setelah menentukan jenis simulator yang digunakan, berikutnya adalah merancang langsung rangkaian yang akan dibuat pada software ADS ini. Perancangan rangkaian ini dimulai dengan mengambil komponen dioda Schottky Agilent HSMS-2882 yang ada pada library ADS ini kemudian disusun secara bertahap dengan kapasitor membentuk rangkaian pelipat ganda tegangan. Jumlah stage yang akan dirancang yaitu 5 stage, 10 stage, 15 stage, 20 stage, dan 10 stage paralel yang selanjutnya akan dibahas pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini.

Berikut pada Gambar 3.4 merupakan hasil rancangan rangkaian power harvester 20 stage

yang akan disimulasikan dengan AC simulation pada software ADS ini.

Gambar 3.4 Rangkaian Power Harvester 20-stage

3.5 Perancangan Power Harvester

Pada perancangan power harvester dilakukan terlebih dahulu simulasi pada software

(38)

Professional. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin bertambah stage yang digunakan maka tegangan keluaran akan semakin besar, Untuk hasil simulasi selengkapnya akan dijelaskan pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini. Berikut pada Gambar 3.5 merupakan tampilan perancangan rangkaian power harvester 20-stage pada software Proteus ARES 7 Professional.

Gambar 3.5 Perancangan papan PCB Power Harvester

Pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7 merupakan tampilan hasil rancangan power harvester

yang dirancang untuk sistem ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini.

(39)

27

(40)

28

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Umum

Pada Bab ini akan dibahas hasil simulasi sistem ambient electromagnetic harvester

dengan simulator Advanced Design System (atau biasa disebut ADS) untuk mendapatkan hasil keluaran power harvester yang paling optimal dengan mengubah 3 parameter penting pada sebuah power harvester yaitu: jumlah stage, kapasitor stage dan kapasitor output. Kemudian merancang power harvester tersebut dan dilakukan ujicoba langsung dengan menghubungkannya pada antena yagi komersil yang digunakan pada rumah untuk mendapatkan hasil/data keluaran di lapangan. Pengukuran di lapangan dilakukan di dua tempat yaitu pada daerah perkotaan pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara dan pada daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit.

4.2 Hasil Simulasi

Pada bagian ini akan dibahas hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage,

10-stage, 15-stage, 20-stage, dan 10-stage paralel.

4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage

(41)

29

Gambar 4.1 Rangkaian Power Harvester 5-stage

Pada Gambar 4.2 menunjukkan proses tuning kapasitor stage dan kapasitor output.

(42)

Berikut pada Gambar 4.3 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.

Gambar 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan Kapasitor 1nF

Hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage ini selengkapnya dapat dilihat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage

Kapasitor stage Gain Tegangan Output (dB)

F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz

1 nF -85.449 -85.337 -85.178

10 nF -105.183 -105.067 -104.903

47 nF -118.601 -118.485 -118.321

100 nF -125.156 -125.04 -124.875

1 uF -145.153 -145.037 -144.873

10 uF -165.153 -165.037 -164.872

47uF -178.595 -178.479 178.314

(43)

31

Setelah dilakukan simulasi rangkaian power harvester 5-stage, berikutnya akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester 10-stage untuk melihat hasil keluarannya dibandingkan dengan rangkaian power harvester 5-stage. Rangkaian power harvester 10-stage pada software ADS akan ditunjukkan pada Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Rangkaian Power Harvester 10-stage

Berikut pada Gambar 4.5 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.

(44)

Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.2.

F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz

1 nF -74.181 -74.079 -73.933

10 nF -93.224 -93.110 -92.947

47 nF -106.578 -106.462 -106.298

100 nF -113.123 -113.007 -112.843

1 uF -133.113 -132.997 -132.832

10 uF -153.112 -152.996 -152.831

47uF -166.554 -166.438 -166.273

100 uF -171.754 -171.638 -171.474

Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage dan 10 stage, dapat dilihat tegangan output yang dihasilkan semakin besar. Untuk memastikan kesimpulan tersebut maka dilakukan simulasi rangkaian power harvester 15-stage yang dapat ditunjukkan pada Gambar 4.6.

(45)

33

Hasil simulasi rangkaian power harvester 15-stage selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.3.

F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz

Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage, 10-stage, dan 15-stage

diatas, dapat dilihat jumlah stage yang makin banyak akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar, maka diambil keputusan untuk merancang power harvester 20-stage untuk Tugas Akhir ini. Sebelum perancangan terlebih dahulu disimulasikan rangkaian power harvester 20-stage yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.

(46)

Hasil simulasi rangkaian power harvester 20-stage selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.4.

F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz

1 nF -64.669 -64.593 -64.485

10 nF -81.500 -81.390 -81.233

47 nF -94.605 -94.491 -94.328

100 nF -101.114 -100.999 -100.835

1 uF -121.075 -120.959 -120.794

10 uF -141.071 -140.955 -140.790

47uF -154.512 -154.397 -154.232

100 uF -161.076 -160.955 -160.790

4.2.5 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel

Simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel bertujuan untuk mendapat arus yang lebih besar dengan memparalelkan 2 buah rangkaian voltage doubler. Hasil perancangan rangkaiannya pada software ADS dapat dilihat pada Gambar 4.8.

(47)

35

Ternyata dengan memparalelkan dua buah rangkaian power harvester 10-stage tidak mempengaruhi tegangan keluaran yang dihasilkan. Hasil keluaran tegangan pada rangkaian paralel ini sama persis dengan rangkaian power harvester 10-stage tunggal. Ini sesuai dengan prinsip rangkaian listrik dimana pada setiap rangkaian paralel yang dihubungkan dengan sumber yang sama akan memiliki tegangan yang sama, dan arus pada rangkaian paralel akan semakin besar daripada rangkaian yang terhubung secara seri.

Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.5.

Tabel 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel

F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz

4.3 Analisa Hasil Simulasi

Dari hasil simulasi 5 buah rangkaian power harvester yang dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa jumlah stage bersifat linear dimana semakin banyak stage rangkaian

voltage doubler akan menghasilkan tegangan yang makin besar. Kenaikan nilai kapasitor

(48)

terakhir yaitu kapasitor output dilakukan simulasi dengan menggunakan kapasitor elco 10 uF, 100 uF, dan 1000 uF. Hasil menunjukkan kapasitor output tidak mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester yang akan dirancang. Pada Gambar 4.9 dapat dilihat hasil simulasi power harvester yang dirancang dalam bentuk grafik.

Gambar 4.9 Grafik hasil simulasi pada ADS

Maka, untuk keputusan akhir pada perancangan power harvester untuk sistem

ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini adalah membuat rangkaian power harvester 20-stage dengan kapasitor stage 1 nF, dan kapasitor output 100 uF.

Lv

(dB)

Jumlah Stage

(49)

37

4.4 Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester

Setelah dirancang alat power harvester tersebut maka akan dilakukan uji coba

ambient electromagnetic harvesting ini langsung di lapangan. Uji coba di lapangan akan dilakukan pada 2 tempat yaitu: Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara dan Stasiun Pemancar TVOne, Spacetoon, .NET di Bandar Baru.

4.4.1 Pengukuran pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU

Pengukuran dilakukan pada hari selasa tanggal 13 Januari 2015 pada pukul 10.30 WIB dengan kondisi cuaca cerah. Antena yang digunakan pada sistem electromagnetic harvesting adalah antena yagi untuk TV dan diarahkan ke posisi yang menghasilkan tegangan maksimal. Tegangan yang dihasilkan dapat mencapai 0.433 volt dengan rise time selama 4 sampai 5 menit. Hasil pengukuran pada laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU akan ditunjukkan pada Gambar 4.10 dan grafik rise time tegangan akan ditunjukkan pada Gambar 4.11.

(50)

Gambar 4.11 Grafik rise time tegangan pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara

4.4.2 Pengukuran pada Stasiun Pemancar Televisi

Pengukuran dilakukan pada hari minggu tanggal 26 Januari 2015 pada pukul 08.10 WIB pagi dengan kondisi cuaca cerah. Tegangan yang dihasilkan dapat mencapai 2.16 Volt dengan rise time selama 8-10 menit. Grafik rise time tegangan akan ditunjukkan pada Gambar 4.12.

Gambar 4.12 Grafik rise time tegangan pada Stasiun Pemancar Televisi

t (sekon) V

(mV)

t (sekon) V

(51)

39

Hasil pengukuran pada stasiun pemancar TV di Bandar Baru akan ditunjukkan pada Gambar 4.13.

Gambar 4.13 (a) Pemancar TV Bandar Baru (b) Pengukuran pada Pemancar TV

4.5 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Hasil Pengukuran

Hasil simulasi dengan power harvester yang dirancang yaitu power harvester 20 stage seri dengan kapasitor 1 nF didapat sekitar -64.593 dB jika diubah menjadi volt dengan menggunakan Persamaan 2.9 sehingga di dapat tegangan sebesar 0.767 V.

dengan : Lv = -64.593 dB

(52)

Hasil pengukuran menunjukkan pada daerah perkotaan yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio didapat tegangan sebesar 0.433 V. Maka dapat diukur persen ralat sebagai berikut:

Dengan : V simulasi = 0.767 Volt V pengukuran = 0.433 Volt

(53)

41 BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil analisis yang dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :

1. Power Harvester yang telah dirancang sudah dapat berfungsi secara baik tetapi listrik yang dihasilkan belum bisa diaplikasikan karena masih sangat lemah arus dan daya yang dihasilkan.

2. Parameter yang mempengaruhi tegangan keluaran power harvester adalah sinyal di sekitar (jarak ke pemancar), jumlah stage rangkaian power harvester, dan nilai kapasitor stage yang digunakan.

3. Hasil pengukuran pada daerah perkotaan Medan yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio dapat menghasilkan tegangan sebesar 0.433 volt dan pada stasiun pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit dapat menghasilkan tegangan sebesar 2.16 volt.

5.2 Saran

Beberapa saran yang dapat penulis berikan pada Tugas Akhir ini adalah:

1. Pada saat pengukuran, sebaiknya dilakukan pada kondisi cuaca yang bagus.

2. Untuk mendapatkan hasil pengukuran yang maksimal, sebaiknya digunakan alat ukur dengan ketelitian tinggi dan memenuhi standard.

(54)

x

DAFTAR PUSTAKA

[1] “Sifat dan Spektrum Gelombang Elektromagnetik”, 08 Maret 2014

Diakses pada tanggal 05 April 2015

[2] Balanis, Constantine A. 2005. Antenna Theory : Analysis and Design. 3rd Edition. US: John Wiley & Sons.

[3] Alaydrus, Mudrik. 2011. Antena Prinsip dan Aplikasi. Yogyakarta: Graha Ilmu. [4] Harrist, Daniel W, 2011 “Wireless Battery Charging System Using Radio Frequency

Energy Harvesting”, University of Pittsburgh

[5] "Indonesian Wikipedia," Wikimedia Foundation, Inc., 27 Maret 2014.

http://id.wikipedia.org/wiki/Kondensator. Diakses pada tanggal 17 Januari 2015 [6] Nurrahman, Fajar, 2011 “Rancang Bangun Ambient Electromagnetic Harvesting pada

Frekuensi TV Broadcasting untuk Transfer Daya Wireless”, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

[7] Sample, Alanson dan J.R Smith, 2009 “Experimental Results with Two Wireless Power Transfer Systems”, Intel Research Seattle, University of Washington, Seattle, USA [8] Parks, Aaron, dkk, “A Wireless Sensing Platform Utilizing Ambient RF Energy”,

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

(60)

(61)

Lampiran 3 Simulasi Power Harvester untuk mendapatkan 1 V tegangan

Untuk mendapat tegangan sebesar 1 V, diperlukan Gain tegangan (dB) sebesar -60 dB, ini dapat kita cari menggunakan rumus:

Sehingga dilakukan simulasi rangkaian power harvester tersebut pada software ADS dan didapat dengan menggunakan power harvester 32-stage dapat menghasilkan tegangan sebesar 1V.

Rangkaian hasil simulasi dapat dilihat pada Gambar 1 dibawah.

(62)

Simulasi dilakukan dengan menggunakan diode Agilent HSMS-2822, kapasitor stage sebesar 1 nF, dan kapasitor output sebesar 100 uF disusun secara seri sebanyak 32 tingkat dan menghasilkan tegangan keluaran seperti pada Gambar 2.