RANCANG BANGUN SISTEM PENCAHAYAAN HYBRID MENGGUNAKAN SERAT OPTIK DAN ULTRABRIGHT LED

RANCANG BANGUN SISTEM PENCAHAYAAN

HYBRID

MENGGUNAKAN

SERAT

OPTIK DAN

ULTRABRIGHT

LED

Henri Sukmajaya – 2205 100 148

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111

Abstrak - Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih sumber cahaya. Sistem ini terdiri dari sistem cahaya buatan dan cahaya alami. Sumber cahaya buatan didapatkan dari peranti semikonduktor yaitu ultrabright Light Emitting Diode/Luxeon (LED) sedangkan cahaya alami didapatkan dari matahari yang disalurkan melalui serat optik.

Pada tugas akhir ini dibuat sistem pencahayaan hybrid yang mengabungkan sumber cahaya alami dari sinar matahari yang kemudian dikompensasi oleh cahaya dari ultrabright LED. Sumber cahaya alami diperoleh dari sinar matahari yang difokuskan oleh parabola kolektor-cahaya. Parabola kolektor-cahaya berfungsi untuk memusatkan cahaya matahari menjadi satu titik cahaya. Cahaya tersebut kemudian dilewatkan melalui serat optik untuk dipancarkan pada ruangan yang membutuhkan pencahayaan. Parabola kolektor-cahaya dapat mengikuti pergerakan cahaya matahari dengan pendeteksian sensor dan pergerakan motor DC. Sumber cahaya buatan diperoleh dari tiga buah ultrabright LED yang dipasang membentuk segitiga. Sumber cahaya ini digunakan untuk mengkompensasi sumber cahaya alami sehingga kebutuhan pencahayaan ruangan bisa terpenuhi. Proses kontrol iluminasi ruangan menggunakan metode kontrol proporsional

Berdasarkan pengujian didapatkan bahwa sistem pencahayaan hybrid yang telah dirancang mampu memberikan pencahayaan ruangan yang konstan 200 lux dengan fluktuasi cahaya serat optik dengan rata-rata eror steady state sebesar 3,57% atau 1,34 lux.

Kata Kunci: pencahayaan hybrid, ultrabright LED, serat optik, parabola kolektor-cahaya.

I. PENDAHULUAN

Penggunaan energi listrik untuk pencahayaan pada gedung-gedung swasta atau pemerintah memerlukan biaya operasional yang tinggi, terutama pada gedung-gedung yang membutuhkan pencahayaan pada siang hari seperti ruangan bawah tanah, tempat parkir, perpustakaan, rumah sakit, dan lain-lain. Di sisi lain, letak geografis negara Indonesia pada jalur khatulistiwa memberikan keuntungan akan melimpahnya sumber cahaya matahari. Salah satu cara untuk menghemat penggunaan energi listrik untuk pencahayaan adalah dengan memanfaatkan sumber cahaya matahari.

Sumber cahaya matahari bisa dimanfaatkan untuk kebutuhan pencahayaan dengan menggabungkan sumber energi lain yang dikenal dengan sistem pencahayaan

hybrid. Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih sumber cahaya untuk satu sistem pencahayaan. Sumber cahaya yang digunakan adalah sumber cahaya yang memanfaatkan sinar matahari dan sumber cahaya berbasis solid state. Sistem pencahayaan hybrid membutuhkan pencahayan buatan beberapa saat ketika cahaya matahari tidak bersinar sepenuhnya sehingga tidak bisa memberikan pencahayaan yang cukup pada ruangan [1].

Penggunaan sinar matahari dinilai lebih murah dan memberikan efisiensi energi. Sedangkan penggunaan sumber cahaya berbasis solid state dinilai lebih hemat daya dan mempunyai umur pemakaian yang lebih lama dibandingkan dengan lampu listrik

II. TEORI PENUNJANG

Teori yang digunakan meliputi Serat optik, Ultrabright LED, Sensor LDR, Pulse Width Modulation (PWM), Intensitas penerangan (Iluminasi)

2.1 Serat Optik

Prinsip pemanduan cahaya pada serat optik adalah total internal reflection. Total internal reflection dapat terjadi apabila cahaya datang dari suatu medium yang memiliki indek bias lebih tinggi ke medium yang memiliki indek bias lebih rendah dan dengan sudut datang lebih besar dari pada sudut kritisnya. Sinar 1,2 dan 3 mengalami refraksi karena sudut datangnya lebih kecil dari pada sudut kritis, sedangkan sinar 4 dan 5 dipantulkan karena sudut datangnya lebih besar dari pada sudut kritisnya.

Gambar 2.1 Total Internal Reflection

2.2 Ultrabright/Luxeon LED

Ultrabright LED merupakan device semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya dengan memberikan bias tegangan pada sambungan p-n semikonduktor. Ultrabright LED memancarkan cahaya

putih yang lebih cerah dan cocok untuk aplikasi pencahayaan dibandingkan LED biasa.

Gambar 2.2Ultrabright/Luxeon LED [5]

2.3 Sensor LDR (Light Dependent Resistor)

LDR merupakan resistor yang resistansinya berubah seiring dengan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada di sekitarnya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR biasanya sekitar 10 Mohm, sedangkan dalam keadaan terang sekitar 1Kohm atau kurang.

Gambar 2.3 LDR (Light Dependent Resistor).

2.4 Intensitas Penerangan (Iluminasi)

Intensitas penerangan adalah pernyataan kuantitatif untuk intensitas cahaya yang menimpa atau sampai pada permukaan bidang. Intensitas penerangan disebut pula iluminasi atau kuat penerangan dengan satuan lux [3].

III. PERANCANGAN ALAT

Desain ini memungkinkan kedua sistem pencahayaan untuk bekerja secara bersama. Kedua sistem akan bekerja secara bersama saat sistem pencahayaan alami dari serat optik tidak mampu memberikan pencahayaan ruangan yang cukup, sehingga kekurangan pencahayaan ruangan akan dikompensasi oleh sistem pencahayaan buatan.

3.1 Perancangan sistem pencahayaan hybrid

Sistem pencahayaan hybrid secara garis besar terdiri dari tiga komponen utama, yaitu sistem pencahayaan buatan dari ultrabright LED, sistem pencahayaan alami dari serat optik, dan sistem pengaturan iluminasi.

Gambar 3.1 Miniatur ruangan sistem pencahayaan hybrid

3.1.1 Perancangan sistem pencahayaan buatan

Sistem pencahayaan buatan diperoleh dari 3 buah ultrabright LED yang disusun membentuk segitiga.

Gambar 3.2 Skematik ultrabright LED

Berdasarkan karakteristik dari ultrabright LED, intensitas keluaran ultrabright LED maksimal pada arus 700mA (dari datasheet). Dari karakteristik ini kita dapat menetukan arus kemudi pada LED, dalam hal ini ditentukan arus kemudi maksimal adalah sebesar 470mA. Sehingga besar arus kemudi yang dibutuhkan untuk 3 buah ultrabright LED adalah tetap 470mA, hal ini karena LED dipasang secara seri.

3.1.2 Perancangan sistem pencahayaan mengunakan serat optik

• Perancangan mekanik

Perancangan mekanik meliputi pembuatan mekanik solar tracker dan parabola kolektor-cahaya matahari. Perancangan sistem pencahayaan alami dengan medium serat optik terdiri dari parabola kolektor-cahaya dan solar tracking otomatis. Sistem distribusi cahaya menggunakan serat optik.

Untuk tujuan kopling cahaya ke dalam serat optik, digunakan kolektor kedua berupa cermin datar yang ditempatkan di bawah titik fokus dari parabolic dish concentrator/parabola kolektor-cahaya seperti tampak pada gambar 3.3.

Gambar 3.3 Parabola kolektor-cahaya

• Perancangan hardware solar tracker

Hardware solar tracker terdiri dari rangkaian komparator, rangkaian driver motor DC, dan empat buah sensor cahaya berupa LDR.

Rangkaian komparator digunakan untuk membandingkan nilai tegangan sensor. Terdapat dua buah rangkaian komparator. Pada gambar 3.5 berikut adalah dua buah komparatorA dan komparatorB.

Gambar 3.5 Rangkaian komparator

Gambar 3.6 Rangkaian sensor untuk solar tracker

Hardware selanjutnya adalah rangkaian driver motor DC. Driver motor DC digunakan untuk mengendalikan putaran motor apakah motor diinginkan berputar searah jarum jam atau berputar berlawanan dengan jarum jam. Pada perancangan ini digunakan IC L298 sebagai komponen utamanya. Gambar rangkaian driver motor DC dapat lihat pada gambar 3.7.

Gambar 3.7 Rangkaian driver motor DC

3.1.3 Perancangan sistem kontrol iluminasi • Perancangan hardware kontrol iluminasi

Hardware untuk sistem pengatura iluminasi terdiri dari rangkaian sistem minimum mikrokontroler Atmega16 dan rangkaian driver LED menggunakan transistor TIP31. Berikut adalah gambar rangkaian sistem minimum mikrokontroler yang dilengkapi dengan driver LED.

Gambar 3.8 Rangkaian driver LED

Rangkaian driver LED pada gambar 3.8 digunakan untuk menyalakan LED. Intensitas kecerahan dari LED diatur melalui nilai PWM mikrokontroler (OCR0) yang masuk ke JP4. Semakin besar nilai PWM, maka nyala LED akan semakin terang dan sebaliknya.

Gambar 3.9 Sistem minimum ATmega16

Minimum sistem ATmega16 selain digunakan sebagai kontrol iluminasi ruangan, juga digunakan sebagai kontrol untuk pergerakan motor DC.

Gambar 3.10 Rangkaian sensor LDR untuk ruangan

Satu buah sensor LDR untuk ruangan diletakkan di bawah ruangan. Sensor ini bertujuan untuk mendeteksi nilai intensitas cahaya ruangan. Cahaya yang dideteksi merupakan cahaya kombinasi antara cahaya alami dan cahaya buatan.

• Perancangan software kontrol iluminasi

Gambar 3.11 Diagram alir sistem pengaturan iluminasi ruangan

Sistem kompensasi pada sistem pengaturan iluminasi didasarkan pada mekanisme feedback, dimana akan dibandingkan level pencahayaan total dalam ruangan terhadap nilai set point yang diinginkan. Pada mekanisme feedback digunakan sensor berupa LDR yang terletak tepat dibawah sumber cahaya kombinasi untuk mengetahui jumlah cahaya yang harus dikompensasi oleh ultrabright LED. Sistem kontrol iluminasi menggunakan metode kontrol proporsional

IV. PENGUJIAN ALAT

Pada proses pengujian dilakukan antara lain pengujian efisiensi pencahayaan menggunakan serat optik, pengujian mekanik tracking matahari, dan pengujian sistem kontrol iluminasi pencahayaan hybrid.

4.1 Efisiensi pencahayaan menggunakan serat optik

Untuk mendapatkan nilai efisiensi tiap bagian dari sistem pencahayaan buatan menggunakan serat optik, dilakukan pengukuran nilai intensitas cahaya pada beberapa titik menggunakan luxmeter. Bagian yang diukur antara lain intensitas cahaya matahari, cahaya yang dipantulkan oleh secondary mirror, cahaya yang terfokuskan oleh parabola, dan cahaya keluaran dari serat optik. Berikut adalah data intensitas cahaya yang diukur pada beberapa titik pada pukul 09.30 pagi. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik yang telah dibuat.

Gambar 4.1 Gambar rangkaian pengujian nilai efisiensi sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik

Tabel 4.1 Data intensitas cahaya yang diukur pada beberapa titik

Dari tabel di atas, efisiensi adalah 0,45 atau 45%. Efisiensi di dapat dari pembagian antara keluaran serat optik dengan fokus pantulan.

Fokus parabola

Keluaran serat optik

1

Intensitas matahari langsung _matahari

2 Fokus pantulan cermin datar 3 4 Set

point Kontroler Driver LED

Ultrabright LED Iluminasi Ruangan terkontrol Cahaya serat optik Sensor LDR -+ Eror

4.2 Pengujian mekanik tracking matahari

Pengujian Mekanik tracking matahari dilakukan dengan menggunakan sinar buatan berupa lampu bohlam. Pengujian dengan lampu bohlam bisa berjalan normal dan bisa memposisikan parabola kolektor-cahaya menghadap ke lampu bohlam.

Hasil pengujian Mekanik tracking matahari adalah sebagai berikut :

Arus maksimal motor atas pada saat bergerak vertikal ke atas adalah 150mA dengan tegangan motor adalah 7 volt, sehingga daya motor maksimal adalah :

PDC = v.i

= 7.0,15 = 1,05 watt,

sedangkan arus minimal motor atas pada saat bergerak vertikal ke bawah adalah 25mA dengan tegangan motor adalah 10 volt, sehingga daya motor minimal adalah :

PDC = v.i

= 10.0,025 = 0,25 watt

4.3 Pengujian karakterisasi ultrabright LED

Berikut adalah gambar grafik hubungan arus kemudi dengan intensitas cahaya LED.

Gambar 4.2Grafik Pengaruh arus kemudi terhadap

intensitas cahaya LED

Gambar 4.2 menunjukkan bahwa semakin besar nilai arus kemudi LED maka intensitas cahaya akan semakin besar. Nilai arus kemudi maksimal dari LED untuk desain ini adalah 470mA.

4.4 Pengujian sensor LDR

Gambar 4.3Grafik Perbandingan intensitas cahaya

terhadap tegangan output sensor

Gambar 4.3 menunjukkan bahwa tegangan output sensor yang terbaca oleh ADC adalah sebesar 71 dengan intensitas cahaya ruangan adalah 200 lux. Nilai ADC ini digunakan sebagai set point.

4.5 Pengujian PWM terhadap intensitas cahaya

Ultrabright LED

Gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai PWM maksimal akan menghasilkan intensitas cahaya LED maksimal yaitu 202 lux.

Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai PWM terhadap

intensitas cahaya LED

4.6 Pengujian sistem kontrol iluminasi pencahayaan hybrid.

Tabel 4.2Hasil pengujian eror steady state pengaturan intensitas cahaya dengan nilai set point

37,5 lux

Cahaya serat optik (lux)

Iluminasi ruangan total dalam ruangan

(lux) Eror (lux) 1,8 37,5 0,0 2,4 37,4 0,1 3,1 37,4 0,1 4,3 37,2 0,3 5,3 37 0,5 6,8 37,1 0,4 9 36,9 0,6 11 36,5 1,0 13 35,3 2,2 15 35,2 2,3 22 34,5 3,0 26 34,2 3,3 31 33,9 3,6 Eror rata-rata 1,34

Gambar 4.5Grafik perbandingan nilai set point iluminasi total ruangan

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui tingkat performansi dari pengaturan iluminasi dengan parameter nilai eror steady state (Ess) yang dihasilkan. Penentuan performansi suatu pengaturan didasarkan pada beberapa parameter antara lain eror steady state yang didefinisikan sebagai kesalahan tunak selisih antara nilai

dengan nilai akhir pada keadaan tunak. Pengujian performansi dilakukan dengan cara memberikan variasi intensitas cahaya masukan dari serat optik yang kemudian dilakukan pengamatan intensitas cahaya total akhir ruangan .

Pengujian juga dilakukan untuk membandingkan intensitas cahaya lampu LED dengan lampu bohlam dan lampu hemat energi (LHE) yang diukur pada jara sama. Dari pengujian didapatkan data pada tabel 4.7 sebagai berikut :

Tabel 4.3 Hasil pengujian hubungan intensitas cahaya

Jenis lampu Intensitas cahaya (lux) Bohlam 90 Lampu LHE 95 LED 200 V. PENUTUP 5. 1 Kesimpulan

1. Telah dibuat sistem pencahayaan

menggabungkan sistem pencahayaan alami dari optik dan sistem pencahayaan buatan dari

LED dengan sistem pencahayaan alami terdiri dari primary colector berupa parabolic dish concentrator dengan diameter 35 cm, dan secondary colector berupa cermin datar dengan diameter 12 cm sebagai kopling cahaya ke serat optik dengan efisiensi 45%. 2. Sistem pencahayaan hybrid yang telah dirancang

mampu memberikan pencahayaan ruangan yang konstan dengan rata-rata eror steady state

3,57% atau 1,34 lux.

3. Sistem pencahayaan buatan menggunakan LED menghasilkan intensitas cahaya sebesar yang diukur pada jarak 50 cm dari sumber cahaya

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 0 4 8 12 16 20 24

set point dengan

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui tingkat performansi dari pengaturan iluminasi dengan parameter (Ess) yang dihasilkan. Penentuan ran didasarkan pada beberapa yang didefinisikan sebagai kesalahan tunak selisih antara nilai set point dengan nilai akhir pada keadaan tunak. Pengujian performansi dilakukan dengan cara memberikan variasi optik yang kemudian dilakukan pengamatan intensitas cahaya total akhir dalam Pengujian juga dilakukan untuk membandingkan intensitas cahaya lampu LED dengan lampu bohlam dan lampu hemat energi (LHE) yang diukur pada jarak yang n didapatkan data pada tabel 4.7 hubungan intensitas cahaya

Daya (Watt) 10

8 4,9

Telah dibuat sistem pencahayaan hybrid yang menggabungkan sistem pencahayaan alami dari serat optik dan sistem pencahayaan buatan dari ultrabright istem pencahayaan alami terdiri dari parabolic dish concentrator

secondary colector dengan diameter 12 cm sebagai kopling cahaya ke serat optik dengan efisiensi 45%..

yang telah dirancang mampu memberikan pencahayaan ruangan yang ror steady state sebesar tem pencahayaan buatan menggunakan ultrabright

an intensitas cahaya sebesar 37,5 lux jarak 50 cm dari sumber cahaya,

untuk kebutuhan kompensator pada pencahayaan hybrid digunakan sinyal PWM sebaga

pengaturan intensitas cahaya dari

4. Daya motor maksimal 1,05 watt terjadi pada saat motor atas bergerak ke atas, sedangkan daya motor minimal 0,25 watt terjadi pada saat motor atas bergerak ke bawah.

5. Pemakaian LED sebagai penerangan lebih efisien dibandingkan dengan jenis lampu lain.

5.2 Saran

1. Untuk meningkatkan efisiensi cahaya serat sebagai pengganti cermin datar dapat digunakan cermin berbentuk elips atau hiperbolik

teoritis dapat meningkatkan cahaya terkopling ke serat optik.

2. Penggunaan metode kontrol yang lengkap seperti PID kontroler untuk kontrol iluminasi yang secara teoritis akan menghasilkan eror steady state

DAFTAR PUSTAKA

[1] Jeff D Muhs, “Design and Analysis of Hybrid Solar Lighting and Full Spectrum Solar

Oak Ridge National Laboratory. ASME Paper number 33

[2] Jeff D Muhs. “Hybrid Solar Lighting Doubles the Efficiency and Affordability of Solar Energy in Commercial Building”. Oak Ridge National Laboratory Newsletter No. 4. March 2003

[3] Muhaimin. 2001. “Teknologi Pencahayaan“. Bandung. PT. Refika Aditama.

[4] .... Atmega16 datasheet, Atmel Corporation [5] … Luxeon K2 datasheet, Philips Co

28 32

ntuk kebutuhan kompensator pada pencahayaan digunakan sinyal PWM sebagai metode

intensitas cahaya dari ultrabright LED. Daya motor maksimal 1,05 watt terjadi pada saat motor atas bergerak ke atas, sedangkan daya motor minimal 0,25 watt terjadi pada saat motor atas Pemakaian LED sebagai penerangan lebih efisien dibandingkan dengan jenis lampu lain.

Untuk meningkatkan efisiensi cahaya serat optik sebagai pengganti cermin datar dapat digunakan cermin berbentuk elips atau hiperbolik yang secara meningkatkan cahaya terkopling ke Penggunaan metode kontrol yang lengkap seperti PID

untuk kontrol iluminasi yang secara teoritis steady state yang lebih kecil.

DAFTAR PUSTAKA

Jeff D Muhs, “Design and Analysis of Hybrid Solar Lighting and Full Spectrum Solar Energy System”. Oak Ridge National Laboratory. ASME Paper Jeff D Muhs. “Hybrid Solar Lighting Doubles the Efficiency and Affordability of Solar Energy in Commercial Building”. Oak Ridge National Laboratory Newsletter No. 4. March 2003.

Muhaimin. 2001. “Teknologi Pencahayaan“. t, Atmel Corporation … Luxeon K2 datasheet, Philips Corporation

RIWAYAT PENULIS

Penulis dilahirkan di Lamongan pada tanggal 20 Februari 1986. Anak kelima dari lima bersaudara dari pasangan Djani dan Sukaeni. Penulis masuk di jurusan teknik elektro ITS tahun 2005 melalui jalur SPMB. Selama menjadi mahasiswa penulis aktif mengikuti kompetisi-kompetisi tingkat nasional. Diantaranya penulis pernah menjadi finalis LCEN 2009 (Lomba Cipta Elektroteknik Nasional) di ITS, Juara 1 Electrical Engineering Award di ITB, dan Juara 2 Lomba Bussiness Plan di ITS. Penulis juga aktif sebagai trainer pelatihan robot untuk mahasiswa dan SMA/SMP. Di bidang akademik penulis aktif sebagai koordinator dan asisten praktikum di Laboratorium Elektronika Dasar dan Laboratorium Elektronika Industri. Selain itu penulis juga suka dengan kegiatan-kegiatan yang berhubungan dengan bisnis. Riwayat pendidikan penulis adalah sebagai berikut :

• Teknik Elektro ITS • SMA Negeri 1 Lamongan • SMP Negeri 1 Glagah-Lamongan

• SD Negeri Glagah 2-Lamongan

Penulis bisa dihubungi melalui email :

henribagja@yahoo.co.id atau melalui alamat : Jln. Glagah