Analisis Reduksi Harmonisa Pada Lampu LED 7 Watt Menggunakan Filter Pasif LC

11 2.1 Lighting Emitting Diode( LED )

Teknologi LED sekarang cukup berkembang disetiap bidang dan berbagai jenis LED banyak diaplikasi diberbagai bidang. Dengan berkembangnya jenis-jenis LED sehingga banyak bidang baru menggunakan LED. Beberapa tahun ini, perkembangan LED cukup berkembang sehingga banyak pabrik memproduksi LED. Mengingat banyaknya defisit energi listrik diberbagai tempat sehingga isu untuk efisiensikan energi atau hemat energi banyak dilakukan salah satunya menggunakan LED [1].

elektron-lubang, dimana efisien bila bahan yang digunakan untuk fabrikasi adalah semikonduktor celah pita langsung. Ini berarti bahwa, ketika dioperasikan dalam mode bias maju, LED mengubah energi listrik menjadi energi cahaya [2].

2.2. Konstruksi LED.

Vektor

Cahaya yang dihasilkan terkurung dalam sebuah band yang sempit dan dibungkus dalam plastik sehingga mengkonsentrasikan cahaya yang dihasilkan pada arah tertentu. Bahan plastik penutup juga diberi warna agar menghasilkan warna yang diinginkan. Hal ini lebih baik dipahami oleh mengacu pada diagram pita E-k dari semikonduktor celah pita langsung dan menggambarkan rekombinasi antara elektron dan lubang yang sesuai untuk k = 0 dan k0 pada Gambar 2.1.

(a) Celah pita langsung (b) Semikonduktor celah pita tidak langsung Gambar 2.1. Diagram pita energi [3]

Untuk k = 0 kasus, frekuensi foton ν1dimana:

dimana :

h = konstanta planck ( 6,625 x10-34J.s ) Eg = Energi gap ( Joule )

Ec = Energi konduksi ( Joule ) Ev = Energi valensi ( Joule ) v = kecepatan elektron

Sedangkan dari foton untuk k  0 padaν2 , dimana v2 > ν1 karena perbedaan energi yang lebih besar antara tingkat elektron dan lubang antara P dan N. Gambar 2.2 mengilustrasikan kerja LED merah. Ini terdiri dari tipe N galium fosfida (GaP) substrat di mana diposisikan N berturut-turut dan P-jenis lapisan: pertama N-jenis lapisan gallium phosphide dan kemudian P-jenis lapisan gallium phosphide diatas [3].

Arus listrik melalui kontak tahanan, cahaya yang dihasilkan di panjang gelombang 700 nm dengan rekombinasi elektron dan lubang di P-N. Jika kita melihat pada P-N di bawah bias maju, pembawa minoritas akan menyebar ke sisi lain dari wilayah netral, sehingga rekombinasi dengan pembawa mayoritas sisi lain ini, dan memancarkan foton. Dalam diagram cross-sectional, bisa dilihat cahaya memancarkan dari antarmuka P-N. Tipe P wilayah kecil dan cukup dangkal untuk menghindari penyerapan cahaya. Sebagian besar cahaya hilang oleh penyerapan dalam panas bahan LED dan tidak berhasil keluar dari LED. Oleh karena itu, langkah-langkah khusus harus diambil untuk meminimalkan kerugian ini cahaya [3].

(a) Tampak luar (b) Tampak dalam

(c) Indikasi terminal (d) Diagram simbol rangkaian

Gambar 2.3.Lighting Emitter Diode[3]

2.3. Klasifikasi LED

2.3.1 Traditional inorganic LED

senyawa semikonduktor seperti aluminium gallium arsenide, Gallium arsenide phosphide, dan lain-lain [3].

LED ini ditandai oleh lampu LED kecil yang digunakan sebagai indikator panel seperti Gambar 2.4.

LED dapat dikategori menjadi 5(lima) bagian antara lain:

1. Satu warna ukurannya 5 mm 2. Surface mountLED

3. LED dengan Dua warna atau warna-warni terdiri dari beberapa jenis LED yang hidup dengan tegangan berbeda.

4. Jenis LEDflashinghidup dengan waktu yang singkat. 5. LED menampilkan alfanumerik

Gambar 2.4. Jenis lampu LED tradisional [3]

2.3.2 OrganicLED.

dan menghasilkan cahaya dari PN. Jenis LED organik diproduksi dalam lembaran. Biasanya dalam bentuk film yang sangat tipis dari bahan organik dicetak dan dilapis seperti bentuk kaca dapat dilihat pada Gambar 2.5. Sebuah sirkuit semikonduktor kemudian digunakan untuk membawa muatan listrik ke lembaran film LED, menyebabkan LED bercahaya [3].

Gambar 2.5. Jenis lampuorganicLED [3]

2.3.3 High brightness(kecerahan tinggi) LED.

Mengingat efisiensi yang lebih besar, dibandingkan dengan lampu pijar dan dan berbagai bentuk lain dari penghematan energi atau energi lampu hemat seperti Compact Fluorescent Bola lampu, CFL. Jenis HBLED ini memiliki tingkat efisiensi yang lebih besar dan tidak mudah rusak, terutama ketika sedang dinyalakan dan dimatikan berkali-kali. Ditambah dengan transisi sesaat mereka untuk output cahaya penuh, jenis LED dipandang sebagai cara ke depan untuk aplikasi pencahayaan.

Dari segi pengeraknya lampu LED terbagi atas:

1. Lampu LED denganbalastsendiri

Lampu LED ini (Gambar 2.6 ) merupakan tipe lampu yang banyak digunakan pada rumah tangga maupun perkantoran. Dimana lampu tersebut didalamnya udah memiliki ballas sendiri/rangkaian pengerak LED.

2. Modul LED

Gambar 2.7. merupakan lampu LED yang digunakan untuk dekorasi.Lampu LED ini bisa bisa dibentuk sesuai dengan keinginan seperti tulisan nama toko dan lainnya.

Gambar 2.7. Modul LED

3. Lampu tanpabalast

Gambar 2.8. merupakan gambar lampu yang tidak memiliki balast didalamnya dan untuk menghidupkan lampunya digunakan balasttersendiri untuk menghidupkan [3].

2.4 RangkaianDriver Lampu LED

2.4.1 Fly Back Converter

Fly Back Converter yang lama menggunakan sebuah induktor dengan 2(dua) belitan atau lebih seperti Gambar 2.9. Dilihat dari kedua belitan, belitan pertama disebut primer yang terhubung ke sumber daya dan dihubungkan ke pentanahan sedangkan belitan kedua disebut sekunder, yang terhubung ke beban. Rangkaian ini dibuat agar energi magnetik yang tersimpan, sebelum dihubungkan ke beban. Ketika saklar terhubung belitan primer maka energi medan magnet di sisi belitan primer menginduksi ke sisi belitan sekunder seperti Gambar 2.9 [3].

Mengembalikan energi adalah fly-back, diambil contoh televisi awal dengan tabung sinar katoda, belitan transformator digunakan untuk membelokkan berkas elektron kembali ke titik awal di layar. Berkas elektron harus kembali lagi dengan cepat setelah menyelesaikan scan di layar, untuk menghindari hilang baris berikutnya dari data yang akan ditampilkan.

Sumber dayafly-backsangat mudah untuk dirancang, tetapi lebih cocok untuk tegangan keluaran konstan. Hal ini karena energi yang tersimpan dalam kapasitor cukup besar dan mengendalikan tegangan rata-rata di kapasitor dapat dicapai dengan umpan balik yang sederhana [3].

mendapatkan teknik sederhana dimana belitan primer sebagai pengontrol arus keluaran dari belitan sekunder. Opto-coupler digunakan untuk mengisolasi antara primer dan sekunder agar didapatkan kontrol yang akurat dari arus keluaran diperlukan.

Beberapa konverter fly-back menggunakan induktor dengan satu belitan. Ini adalah pengendali Buck-Boost dan merupakan alternatif untuk konverter Boost-Buck seperti Cuk dan SEPIC.

a) RangkaianFly-Back b) Arus primer

c) Arus sekunder

d) Energi magnetik yang tersimpan

Gambar 2.9 (Lanjutan) 2.4.2 Dua Belitan Konverter Fly-Back

Sebuah rangkaian fly-back untuk menghidupkan LED ditunjukkan pada Gambar 2.10. Titik di samping belitan transformator menunjukkan belitan primer. Dalam hal ini awalnya terhubung ke saluran MOSFET, yang selanjutnya bergantian untuk menghubungkan ke beban atau melepaskan ke beban. Belitan primer mengontrol tegangan padafly-back[3].

Gambar 2.10 Rangkaianfly-backdua belitan [3] E

Titik awal belitan sekunder dimulai penghubung ke dioda keluaran, yang mencegah konduksi ketika MOSFET on. Titik awal sekunder terhubung ke keluaran dioda, tetapi titik akhir terhubung ke ground dan ini cenderung untuk menyaring belitan sekunderuntuk radiasi EMI minimal. Energi yang disimpan selama MOSFET pada waktu dilepaskan selama waktuoff, dengan arus yang mengalir melalui keluaran dioda dan ke beban [3].

Perhitungan karakteristik transformator, seperti nilai induktansi dan primer untuk rasio belitan sekunder, sangat penting dalam desain. Agar transfer daya lengkap dari primer ke sekunder, volt-detik harus sama. Persamaan adalah:

.

=

(2.3)

dimana:

Vpri = Tegangan sisi primer Vsec = Tegangan sisi sekunder Npri = Belitan sisi primer Nsec = Belitan sisi sekunder

Ton = Waktu mosfet dalam keadaan on. Toff = Waktu mosfet dalam keadaan off.

2.4.3. Tiga Belitan KonverterFly-Back

digunakan untuk daya kontrol transistor, setelah rangkaian beroperasi. Belitan bootstrap memiliki orientasi yang sama seperti belitan sekunder dan tegangan hanya ditentukan oleh rasio belitan daribootstrapdibandingkan dengan sekunder. Keluaran sekunder 24V, bootstrap bisa memiliki jumlah yang sama bergantian dan dengan demikian memberikan (kurang-lebih) 24V untuk mengontrol daya transistor dan MOSFET [3].

Saat start-up, tidak ada daya yang tersedia dari bootstrap belitan, sehingga start-up regulator diperlukan. Contoh start-up regulator adalah LR645 dan LR8 dari supertex, ini memberikan tegangan rendah, arus keluaran rendah dari input dengan tegangan setinggi 450 V. Setelah bootstrap yang menghasilkan tenaga, regulator start-up mematikan. Transistor yang ditunjukkan pada Gambar 2.11a. memiliki regulatorstart-up built-in.

a).Rangkaian lampu LED merek B

b).Lampu LED merek B Gambar 2.11 (Sambungan)

Bagian ini memberikan aturan desain untuk converter fly-back berdasarkan rasio ditentukan oleh siklus maksimum yang diizinkan, atau dengan optimal rasio berdasarkan tegangan kerja maksimumswitchMOSFET.

Bagian ini memberikan aturan desain untuk converter fly-back berdasarkan pilihan rasio ditentukan oleh siklus maksimum yang diizinkan, atau dengan optimal rasio berdasarkan tegangan kerja maksimum switch MOSFET . Dalam hal 1, desain didasarkan pada siklus tugas maksimum (pada tegangan masukan terendah) memungkinkan jangkauan tegangan input terluas. Dalam kasus 2, desain berdasarkan tegangan maksimum di MOSFET memungkinkan solusi biaya berpotensi lebih rendah. Atau, desain fly-back berdasarkan sebuah transformator sudah tersedia dengan diketahui (dan tetap) ternyata rasio dapat dipertimbangkan.

= _

( =

_

( (2.4)

dimana:

2 × Tdly = Setengah waktu priode pada MOSFET

N = Ratio belitan transformator primer ke belitan sekunder.

Ip_pk = Arus primer

Is_pk = Arus sekunder

Io = Tegangan rata-rata arus keluaran (arus LED) Transfer fungsi konverterfly-back adalah:

=

( )

.

(2.5)

dimana:

Vo = Tegangan keluaran

V1 =Tegangan Masukan

N = Ratio belitan primer dan sekunder transformator

D = Siklus Kerja

2.5 Harmonisa

bentuk gelombang aslinya sedangkan bilangan bulat pengali frekuensi dasar disebut angka urutan harmonisa. Misalnya, frekuensi dasar suatu sistem tenaga listrik adalah 50 Hz, maka harmonisa keduanya adalah gelombang dengan frekuensi 100 Hz, harmonisa ketiga adalah gelombang dengan frekuensi sebesar 150 Hz dan seterusnya.Gelombang-gelombang ini kemudian menumpang pada gelombang murni/aslinya sehingga terbentuk gelombang cacat yang merupakan jumlah antara gelombang murni sesaat dengan gelombang harmonisanya seperti Gambar 2.12 [11].

Gambar 2.12. Gelombang fundamenal dengan gelombang harmonisanya [18] 2.6 Perhitungan Harmonisa

Untuk menentukan besar Total Harmonic Distortion (THD) dari perumusan analisa deretfourieruntuk tegangan dan arus dalam fungsi waktu yaitu [19]:

(2.6)

(2.7)

( ) = + ( + )

( ) = + ( + )

Tegangan dan arus RMS dari gelombang sinusoidal yaitu nilai puncak gelombang dibagi√2dan secara deretfourieruntuk tegangan dan arus yaitu [20]:

(2.8)

(2.9)

Pada umumnya untuk mengukur besar harmonisa yang disebut dengan Total Harmonic Distortion (THD). Untuk THD tegangan dan arus didefenisikan sebagai nilai RMS harmonisa urutan diatas frekuensi fundamental dibagi dengan nilai RMS pada frekuensi fundamentalnya, dan tegangan dc nya diabaikan.

Besar Total Harmonic Distortion (THD) untuk tegangan dan arus ditunjukan pada persamaan (2.10 dan 2.11) yaitu:

(2.10)

(2.11)

Hubungan PersamaanTHDdengan arusRMSdari Persamaan (2.11) yaitu:

Selanjutnya dari Persamaan (2.11) yaitu:

(2.12)

Sehingga arusRMSterhadapTHDIyaitu:

(2.13)

2.7 Batasan Harmonisa

Untuk mengurangi harmonisa pada suatu sistem secara umum tidaklah harus mengeliminasi semua harmonisa yang ada, tetapi cukup dengan mereduksi sebagian harmonisa tersebut sehingga diperoleh nilai dibawah standar yang diizinkan. Hal ini berkaitan dengan analisa secara teknis dan ekonomis, dimana dalam mereduksi harmonisa secara teknis dibawah standar yang diizinkan sementara dari sisi ekonomis tidak membutuhkan biaya yang besar. Standar yang digunakan sebagai batasan harmonisa adalah yang dikeluarkan oleh International Electrotechnical Commission (IEC) yang mengatur batasan harmonisa pada beban beban kecil satu fasa ataupun

tiga fasa. Untuk beban tersebut umumnya digunakan standar IEC61000-3-2. Hal ini disebabkan karena belum adanya standar baku yang dihasilkan olehIEEE[5].

Pada standarIEC61000-3-2, beban beban kecil tersebut diklasifikasikan dalam kelas A, B, C, dan D, dimana masing-masing kelas mempunyai batasan harmonisa yang berbeda beda yang dijelaskan sebagai berikut [5].

1). Kelas A

Kelas ini merupakan semua kategori beban termasuk didalamnya peralatan penggerak motor dan semua peralatan 3 fasa yang arusnya tidak lebih dari 16 ampere perfasanya. Semua peralatan yang tidak termasuk dalam 3 kelas yang lain dimasukkan dalam kategori kelas A. Batasan harmonisanya hanya didefinisikan untuk peralatan satu fasa (tegangan kerja 230V) dan tiga fasa (230/400V) dimana batasan arus harmonisanya seperti yang diperlihatkan Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas A

Sumber : IEC61000-3-2

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

2). Kelas B

Kelas ini meliputi semua peralatantool portableyang batasan arus harmonisanya merupakan harga absolut maksimum dengan waktu kerja yang singkat. Batasan arus harmonisanya diperlihatkan pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas B

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (A)

Harmonisa Ganjil

Kelas C termasuk didalamnya semua peralatan penerangan. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentukpersentasearus fundamental. Persentase arus maksimum yang diperbolehkan untuk masing masing harmonisa diperlihatkan Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas C

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

2 2

3 30xPF rangkaian

Tabel 2.3. (Sambungan)

Harmonisa ke-n Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (% fundamental)

Termasuk semua jenis peralatan yang dayanya dibawah 600 watt khususnya personal komputer, monitor, TV. Batasan arusnya diekspresikan dalam bentuk mA/W dan dibatasi pada harga absolut yang nilainya diperlihatkan oleh Tabel 2.4.

Tabel 2.4 Batasan arus harmonisa untuk peralatan kelas D

Harmonisa ke-n

Arus harmonisa maksimum yang diizinkan (mA/W)

mungkin. Selain itu filter harmonisa pada frekuensi fundamental dapat mengkompensasi daya reaktif dan dipergunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem[18].

2.8.1 Filter Pasif

Filter pasif merupakan metode penyelesaian yang efektif dan ekonomis untuk masalah harmonisa. Filter pasif sebagian besar didesain untuk memberikan bagian khusus untuk mengalihkan arus haromonisa yang tidak diinginkan dalam sistem tenaga. Filter pasif banyak digunakan untuk mengkompensasi kerugian daya reaktif akibat adanya harmonisa pada sistem instalasi seperti Gambar 2.13. Beberapa jenis filter pasif yang umum beserta konfigurasi dan impedansinya [6].

Gambar 2.13. Filter pasif

mempunyai impedansi yang rendah. Sebelum merancang suatu filter pasif, maka perlu diketahui besarnya kebutuhan daya reaktif pada sistem. Daya reaktif sistem ini diperlukan untuk menghitung besarnya nilai kapasitor yang diperlukan untuk memperbaiki sistem tersebut.

Band-Pass High-Pass Double

Band-Pass

Composite

Gambar 2.14. Jenis-jenis filter pasif [7]

Untuk menghitung nilai kapasitor pada Filter Pasif:

=

. (2.14)

Untuk menghitung nilai induktor pada Filter Pasif:

=

( × × ) × (2.15)

dimana:

Ln= Nilai impedansi masing-masing filter F = Frekuensi

2.9 Filter Pasif LC

Meminimalkan daya reaktif sebuah kriteria tambahan yang diperlukan untuk menentukan induktansi dan kapasitansi dari filter LC seperti Gambar 2.15. Pada penelitian ini daya reaktif digunakan sebagai tambahan meskipun kriterianya berdasarkan biaya minimum, ukuran, kerugian, dan lain-lain. Ukuran minimalisasi, kerugian dan biaya filter, kriteria tambahan berdasarkan daya reaktif minimum juga termasuk digunakan [13]. Namun, sebagai filter LC pada harmonik diberikan dalam bentuk Fourier seri ekspresi dari induktansi dan kapasitansi dari filter LC yang tidak diperoleh [6].

2.10 Mendesain Filter LC

Filter LC terdiri dari lubang parallel komponen-komponen pasif yaitu Induktor dan Kapasitor seperti Gambar 2.16. Dalam mendesain filter LC terlebih dahulu menentukan besar kapasitor sesuai kebutuhan faktor daya dan Induktor Filter.

Gambar. 2.16. Rangkaian impedansi filter LC

Filter LC terdiri dari lubang parallel komponen-komponen pasif yaitu Induktor dan Kapasitor seperti Gambar 2.16. Dalam mendesain filter LC terlebih dahulu menentukan besar kapasitor sesuai kebutuhan fektor daya dan Induktor Filter. Langkah-langkah yang harus dilakukan dalam merancang Filter LC adalah sebagai berikut [6]:

a. Menghitung Nilai Kapasitor (C)

1. Tentukan ukuran kapasitas kapasitor Qc berdasarkan kebutuhan daya reaktif untuk perbaikan faktor daya. Daya reaktif kapasitor (Qc) adalah:

dimana:

P = Daya aktif (kW).

pf1 = Faktor daya mula-mula sebelum diperbaiki. Pf2 = Faktor daya setelah diperbaiki.

2. Tentukan Reaktansi kapasitor ( XC):

=

(2.16)

dimana:

XC = Reaktansi kapasitif (Ω). V = Tegangan RMS (Volt).

QC = Daya reaktif kapasitor (VAR). 3. Tentukan kapasitas dari kapasitor ( C )

=

(2.17)

dimana:

C = Kapasitansi kapasitor (Farad) F0 = Frekuensi fundamental (Hz). 4. Menghitung nilai Induktor ( L )

Dari gambar rangkaian didapat persamaan tegangan [26] :

Tegangan pada kapasitor didapat:

V0= IL. XC ( 2.19 )

dimana:

=

( 2.20 )

jadi:

=

( 2.21 )

Arus yang mengalir ke lampu LED adalah

=

( 2.22 )

dimana:

=

( 2.23 )

Jadi, Induksi dari Induktor ( L )

=

( 2.24 )

dimana:

V0= daya pada input lampu LED

IL= arus yang mengalir pada lampu LED XC= reaktansi kapasitif

VL= Tegangan pada induktif 2.11 Mendesain Filter L

Induktor tipe inti EI digunakan adalah inti besi laminasi atau disebut kern. Digunakan bahan ini karena induktor ini akan dipasang pada frekuensi rendah. Jenis inti yang biasa dipakai seperti Tabel 2.5

Tabel 2.5 Tipe inti yang biasa untuk induktor [8]

No Tipe Inti

Kerapatan Fluks ( B ) (Tesla )

Rugi-rugi inti Penggunaan

1 Laminasi besi, baja

silikon 1,5- 2,0 Tinggi

Transformator 50-60Hz,

Induktor 2 Tepung tembaga,

tepung besi 0,6- 0,8 Menengah

Transformator 1KHz, Filter

Induktor 100KHZ 3 Ferrite

Manganese-zinc, Nickel-zinc 0,25- 0,5 Rendah

Transformator 20KHZ-1MHZ,

Induktor AC

Gambar 2.17 merupakan bentuk filter pasif L yang berinti EI mempunyai panjang sebesar b dan lebar sebesar h.

Langkah-langkah merancang induktor dengan menggunakan inti kern adalah sebagai berikut:

1. Menentukan besar nilai induktor yang diinginkan

2. Melakukan perhitungan-perhitungan untuk mendapatkan nilai sesuai dengan yang diharapkan, meliputi:

Menentukan ukuran kern:

Pp = Vphx Iphx Cos θ (2.25) dimana:

Vph = Tegangan saluran Iph = Arus saluran

= ,

, [ cm ] (2.26)

h =

, [cm] (2.27)

Dari persamaan 2.26 dan 2.27maka dapat dihitung besar luas penampang kern adalah

Ac= b x h [cm2] (2.28)

Menentukan jumlah belitan

= 10 (2.29)

Menentukan diameter email yang digunakan

= (2.30)

dimana:

Airgap yang muncul;