BAB III
PERANCANGAN ALAT
3.1 Desain Proyek
Bagian-bagian utama pada sistem transfer daya tanpa kabel penulis tunjukkan pada blok diagram di bawah ini:
Gambar 3.1 Blok Diagram Transfer Daya Tanpa kabel (WPT)
Pada awalnya sumber ac diambil dan terhubung dengan rectifier. Kemudian penyearah terhubung ke osilator. transfer osilator saat ini ke kumparan pemancar. Sebuah medan magnet kemudian dibuat antara koil transmitter dan receiver coil. Energi medan magnet ditransfer ke beban tanpa menggunakan kabel apapun. Koil Intermediasi juga digunakan. Hal ini ditempatkan di antara kumparan pemancar dan penerima kumparan. Rangkaian Penerima/Receiver, desain terdiri atas sebuah loop rangkaian LC dengan frekuensi resonansi yang sama dengan frekuensi pemancar yang berfungsi sebagai penangkap induksi resonansi magnetik dari pemancar berupa daya listrik untuk kemudian menyalurkannya ke beban.
Dengan dasar skema Gambar 3.1, penulis membuat rancang bangun rangkaian elektronika yang memenuhi dasar konsep tersebut, terkait pemilihan beberapa komponen yang sesuai dan ada beberapa komponen yang harus dibuat dan dihitung sendiri berdasarkan rumus dan didukung oleh data bahan material.
3.2 Perancangan Sistem Transfer Daya Listrik Tanpa Kabel
Detail sistem transfer daya tanpa kabel dengan konsep resonansi magnetik ini akan penulis jelaskan pada masing-masing bagiannya di sub bab di bawah. Adapun urutan perancangan yang akan penulis jelaskan secara garis besarnya dapat dilihat pada blok diagram di bawah ini;
Gambar 3.2 Blok Diagram Proses Pembuatan sampai uji coba 3.2.1 Power Supply
Sebuah catu daya adalah perangkat yang memasok tenaga listrik ke beban listrik. Istilah ini paling sering diterapkan untuk perangkat yang mengkonversi salah satu bentuk energi listrik yang lain, meskipun juga dapat merujuk ke perangkat yang mengkonversi bentuk lain dari energi (mekanik, kimia, solar) menjadi energi listrik. Sebuah catu daya diatur adalah salah satu
yang mengontrol tegangan output atau arus ke nilai tertentu; nilai dikendalikan diadakan mendekati konstan meskipun variasi baik arus beban atau tegangan yang diberikan oleh sumber energi listrik ini. Berikut (220V-50Hz) sumber ac digunakan. 3.2.2 Rectifier
Sebuah penyearah adalah perangkat listrik yang mengubah arus bolak-balik (AC), yang secara berkala berubah, untuk menyearahkan arus (DC), yang mengalir hanya satu arah. Proses ini dikenal sebagai pembetulan. Secara fisik, rectifier mengambil sejumlah bentuk, termasuk dioda tabung vakum, busur katup merkuri, dioda solid state, silikon dikontrol rectifier dan switch semikonduktor berbasis silikon lainnya.
Rectifier memiliki banyak kegunaan, tetapi sering ditemukan berfungsi sebagai komponen DC pasokan listrik dan tegangan tinggi langsung sistem transmisi listrik saat ini. Perbaikan dapat melayani dalam peran selain untuk menghasilkan arus searah untuk digunakan sebagai sumber listrik. Sebagaimana dicatat, detektor sinyal radio berfungsi sebagai penyearah. Dalam sistem pemanas gas api pembetulan digunakan untuk mendeteksi keberadaan api.
Proses sederhana pembetulan menghasilkan jenis DC ditandai dengan tegangan berdenyut dan arus (meskipun masih searah). Tergantung pada jenis penggunaan akhir, jenis arus DC
kemudian dapat lebih dimodifikasi menjadi jenis tegangan relatif konstan DC khas yang dihasilkan oleh sumber seperti baterai dan sel surya. Di sini, rangkaian jembatan penyearah digunakan.
3.2.3 Osilator
Sebuah osilator elektronik adalah sebuah sirkuit elektronik yang menghasilkan sinyal elektronik berosilasi, umumnya gelombang sinus atau gelombang persegi. Osilator banyak digunakan di banyak perangkat elektronik. Contoh umum dari sinyal yang dihasilkan oleh osilator termasuk sinyal yang disiarkan oleh radio dan televisi pemancar, sinyal clock yang mengatur komputer dan jam kuarsa, dan suara yang dihasilkan oleh penyeranta elektronik dan video game. Osilator dirancang untuk menghasilkan output AC-daya tinggi dari pasokan DC biasanya disebut inverter.
3.2.4 Koil Pemancar
Koil Pemancar merupakan sebuah induktor dan kapasitor dan terhubung dengan rangkaian pemancar. Berikut tabung tembaga digunakan sebagai induktor. Parameter dari induktor dan kapasitor yang dipilih untuk menghasilkan resonansi pada frekuensi tertentu.
Koil Intermediasi merupakan sebuah induktor dan kapasitor yang seharusnya untuk menghasilkan resonansi dengan medan magnet yang dihasilkan dari sumber sirkuit resonansi untuk menerima energi. Hal ini juga terdiri dari sebuah LED.
3.2.6 Koil Penerima
Penerima coil merupakan sebuah induktor, kapasitor dan LED. Berikut LED digunakan sebagai beban.
3.2.7 Komponen-komponen
Komponen yang berbeda yang digunakan selama pelaksanaan model transfer energi nirkabel. Ini adalah resistor, kapasitor, MOSFET, ‘choke radio frekuensi’ dan lain-lain. Daya yang ditransmisikan telah diterapkan di seluruh kombinasi LC. Jadi, semua komponen ini harus ditambahkan ke pemancar dan penerima rangkaian.
Kapasitor yang direkomendasikan dalam rangkaian osilator ini adalah jenis polypropylene ESR berdaya rendah, sangat dianjurkan untuk digunakan karena memiliki kemampuan dalam menangani arus besar yang mengalir melalui LC tank. Selain jenis ini, kapasitor jenis lain menciptakan lonjakan tinggi (high spike) dalam gelombang sinusoidal pada LC tank dan berdampak pada MOSFET. Kapasitor tipe MKP juga bisa digunakan. untuk core toroid fungsinya untuk membangun
choke RF (radio frekuensi) juga tidak tersedia di pasar lokal penulis mendapatkannya dari barang loakan.
3.2.8 Rectifier Jembatan
Rectifier jembatan penyearah dari sumber tegangan (220V, 50Hz) untuk 12V DC. Menggunakan 4 individu meluruskan dioda terhubung dalam konfigurasi "dijembatani" untuk menghasilkan output yang diinginkan tetapi tidak memerlukan sebuah pusat khusus disadap transformator, sehingga mengurangi ukuran dan biaya. Single gulungan sekunder dihubungkan ke satu sisi jaringan jembatan dioda dan beban ke sisi lain
3.2.9 Pemulus Kapasitor
Fase tunggal penyearah setengah gelombang menghasilkan output gelombang setiap setengah siklus dan bahwa itu tidak praktis untuk menggunakan jenis rangkaian yang menghasilkan suplai DC yang stabil. Pada sebuah gelombang penuh ‘bridge rectifier’ Namun, memberikan arti lebih besar nilai DC (0.673Vmax) dengan ripple carrier sedikit sedangkan gelombang keluaran adalah dua kali lipat dari frekuensi. Oleh karena itu, rata-rata tingkat output DC dapat ditingkatkan lebih tinggi dengan menghubungkan pemulusan kapasitor yang cocok di output dari rangkaian jembatan. Kapasitor smoothing mengubah gelombang penuh berdesir output rectifier menjadi
tegangan output DC halus. Dua parameter penting yang dipertimbangkan saat memilih kapasitor yang cocok. Ini adalah ; 1. Tegangan kerja, yang harus lebih tinggi dari output tanpa
beban dari rectifier.
2. Nilai kapasitansi, yang menentukan jumlah riak yang akan muncul ditumpangkan di atas tegangan DC. Jika nilai kapasitansi terlalu rendah, maka kapasitor akan memiliki pengaruh yang kecil.
Keuntungan utama dari jembatan penyearah gelombang penuh adalah bahwa ia memiliki nilai yang lebih kecil AC riak untuk beban yang diberikan dan reservoir yang lebih kecil atau pemulus kapasitor bahwa penyearah setara dengan setengah gelombang. Oleh karena itu, frekuensi dasar dari tegangan riak adalah dua kali dari frekuensi pasokan AC (100Hz) di mana untuk penyearah setengah gelombang itu adalah equivalen dengan frekuensi pasokan (50Hz). Jumlah tegangan riak yang ditumpangkan di atas tegangan suplai DC oleh dioda hampir bisa dihindari dengan lebih ditingkatkan penambahan π-filter (pi-filter) ke terminal output dari penyearah jembatan. Jenis low-pass filter terdiri dari dua kapasitor smoothing, biasanya dari nilai yang sama dan choke atau induktansi di mereka untuk memperkenalkan jalur impedansi tinggi untuk komponen perubah riak (ripple). Alternatif yang lebih efisien adalah
dengan menggunakan tegangan regulator 3-terminal IC, seperti LM7805 yang dapat mengurangi riak lebih dari 70dB sementara lebih memberikan arus keluaran kepaa lampu.
3.2.10 Rangkaian Pengirim/Transmitter
Pada perangkat sistem transfer daya listrik tanpa kabel, rangkaian awal pemancar menduduki posisi yang sangat penting dalam proses me-generasikan resonansi magnetik. Seperti yang penulis sampaikan sebelumnya, bahwa rangkaian pemancar terdiri dari suatu rangkaian penghasil arus bolak balik frekuensi tinggi dan suatu rangkaian LC yang berfungsi sebagai penghasil frekuensi resonansi atau yang biasa disebut Rangkaian Osilator. Pada rangkaian pemancar, semua komponen dirancang untuk dapat mencapai frekuensi resonansi tertentu, agar dapat mengirimkan daya listrik dengan baik. Berikut adalah Gambar disain rangkaian pemancar yang direncanakan oleh penulis. Pada gambar 3.2 rangkaian pemancar di bawah akan dibangun sebagai rangkaian LC osilator dengan frekuensi resonansi antara 1000 kHz - 1,5 MHz.
Gambar 3.3 Rangkaian Pemancar
Frekuensi tegangan AC yang dibangkitkan oleh rangkaian ini akan tergantung dari harga L dan C yang digunakan. Pada rangkaian ini terdapat 8 buah kapasitor polypropylene 6,8 nF/1600 V dan 2 buah Induktor toroida 100 uH dan 2 buah Mosfet (Metal Oxide Field Effect Transistor) yakni Transistor Efek Medan IRFZ44N yang mulai bekerja pada tegangan kisaran 10 V-15.
Rangkaian ini harus bekerja pada frekuensi 1000 kHz – 1,5 MHz, maka untuk keperluan tersebut penulis perlu menentukan berapa banyak lilitan kawat kumparan yang harus dililikan pada toroida warna hijau dari jenis porselene ini.
Tabel 3.1 Spesifikasi Prototipe
Arus keluaran, mA 1000
Tegangan Keluaran, Volt 10-15
Impedansi Keluaran, Ω 1
Konsumsi Daya, W 2
3.3 Osilator Yang Diaplikasikan
Royer Oscillator adalah sebuah osilator elektronik yang memiliki keunggulan kesederhanaan, jumlah komponen yang sedikit, bentuk gelombang sinusoidal dan mudah dalam transforma isolasi. Ini pertama kali dijelaskan oleh George H. Royer pada bulan Desember 1954 di Manufaktur Listrik. Dasar Royer Oscillator ditunjukkan pada Gambar 3.3
Gambar 3.4 Rangkaian Dasar Osilator Royer
Rangkaian ini terdiri dari transformator inti saturable dengan pusat menyadap gulungan primer, sebuah lilitan umpan balik dan lilitan sekunder.
Gambar 3.5 Contoh Osilator Royer dalam Rangkaian WPT
Sebuah kapasitor terhubung di primer untuk membuat sebuah rangkaian resonan. Setiap setengah dari primer didorong oleh transistor dalam konfigurasi push-pull. Kopel lilitan umpan balik dari sebagian sisa fluks transformator kembali ke basis transistor untuk memberikan umpan balik positif, menghasilkan osilasi. Frekuensi osilasi ditentukan oleh kepadatan maksimum fluks magnetik, tegangan listrik, dan induktansi dari gulungan primer. Prototipe rangkaian osilator dirancang untuk sistem transfer daya nirkabel adalah dimodifikasi Royer osilator. rangkaian osilator ini sangat sederhana namun desain yang kuat. saat berosilasi sangat tinggi dapat dicapai dengan sirkuit ini tergantung pada semikonduktor yang digunakan. Berikut arus tinggi yang diperlukan untuk meningkatkan kekuatan medan magnet. Meskipun, Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) yang direkomendasikan untuk jenis osilator, tapi IGBTs memiliki keterbatasan dalam frekuensi tinggi.
Gambar 3.6 Osilator Royer dalam Proyek ini
3.4 Operasi Isolator
Rangkaian ini terdiri dari dua choke dan berlabel, dua semikonduktor (Berikut N-channel meningkatkan daya MOSFET), kapasitor beresonansi berlabel C dan induktor (di sini pemancar coil) berlabel L. Kopel menyilang umpan balik disediakan melalui dioda Zener 4148, Dan, adalah jaringan biasing untuk MOSFET dan (Gambar 3.4). Ketika daya diterapkan, arus DC mengalir melalui dua sisi kumparan dan menguras transistor. Pada saat yang sama tegangan muncul di kedua gerbang dan mulai mengubah transistor ON. Satu transistor adalah selalu sedikit lebih cepat dari yang lain dan akan menyala lagi. saat ini meningkatkan arus di sisi kumparan yang akan menyebabkan dua hal, pertama, memerlukan pengemudian lebih jauh terhadap transistor lainnya. kedua,
auto-transformator bertindak sebagai pemberi pengaruh tegangan positif pada transistor, untuk men-switch ON. Arus terus meningkat sampai coil (trafo) menjadi jenuh. Kapasitor C yang beresonansi menyebabkan tegangan yang migrasi meningkat, kemudian jatuh dalam pola gelombang sinus standar. Dengan asumsi bahwa kondisi ‘On’ pertama, tegangan pada drain akan dijepit ke dekat ground sedangkan tegangan di sumber ‘s’ naik ke meninggi dan kemudian jatuh sebagai bentuk kapasitor-tank dan osilator kumparan primer melewati satu setengah siklus. osilator berosilasi pada frekuensi yang ditentukan oleh induktansi dari kumparan, nilai kapasitor berada pada tingkat lebih rendah, saat itu beban dimanfaatkan ke sekunder (kumparan Sumber). Frekuensi operasi adalah rumus akrab untuk resonansi.
3.4.1 Komponen Osilator
Komponen yang digunakan dapat dilihat pada tabel di bawah. Tabel 3.2 Daftar Komponen
Nama Komponen Komponen
Nilai dan Kode
Voltage Source, 18V Capacitor, C1 100nF Capacitor, C 2,...8 6,8 nF Resistor, R1 100 ohm Resistor, R2 100 ohm Resistor, R3 10k ohm Resistor, R4 10k ohm Diode, D1 1N4148 Diode, D2 1N4148 MOSFET, Q1 IRFZ44N
MOSFET, Q2 IRFZ44N Radio Frequency Choke, L1 100µH Radio Frequency Choke, L2 100µH
Transmitter coil, L 187.5 nH
3.4.2 Koil Sumber, Koil Intermediasi dan Koil Beban
Untuk percobaan, koil sumber, coil menengah dan beban koil dibangun menggunakan 0.6 mm tabung tembaga dengan radius 6,5 inci.
3.4.3 Choke Frekuensi Radio
Choke merupakan induktor dirancang untuk memblokir (memiliki reaktansi tinggi untuk) frekuensi yang lebih tinggi dalam sebuah sirkuit listrik saat melewati sinyal dari frekuensi yang lebih rendah atau arus searah.
(A) Salah (B) Salah
Tabel 3.3 Tabel Mencari Jumlah Lilitan RF Choke
Gambar 3.8 Induktor Toroida sebagai RF Choke
3.4.4 Rectifier Yang Diaplikasikan
Pada Gambar 3.7 dapat dilihat sebuah diagram rangkaian rectifier. Sinyal AC dikonversikan menjadi sinyal DC oleh bridge rectifier
Beban, R-load dikemudi oleh regulator tegangan. ripples voltage distabilkan dengan kapasitor C1 dan C2 dimana nilai-nilai kapasitansi nya 0.33 μF dan 0,1 uF sesuai datasheet dari regulator tegangan pada lampiran I.
Gambar 3.9 Diagram Rangkaian Rectifier
3.4.5 Rangkaian Penerima
Rangkaian Penerima terdiri dari Coil Copper tembaga berdiameter 4_mm dan rangkaian bridge rectifier dan IC regulator.
3.4.6 Perhitungan Teoritis dan Persamaan-persamaan
Untuk memulai menghitung atau mencari nilai-nilai yang dikehendaki agar dapat dipenuhinya capaian frekuensi yang diperlukan, Dalam hal ini Persamaan. (3.1) dapat digunakan.
3.4.6.1 Frekuensi resonansi
Frekuensi resonansi dari sistem ini dipilih pada 1,4 MHz. Seperti yang disebutkan sebelumnya pada bagian osilator, nilai-nilai untuk R1 = R2, R3 = R4 dan C1 dipilih di 100 Ω, 10 kΩ dan 100 nF.
1
))
4
3
(
)
2
1
((
44
,
1
C
R
R
R
R
f
... (3.1) 910
100
)
000
.
20
200
(
44
,
1
x
f
310
02
.
2
44
,
1
x
f
s
x
f
t
1
1
.
40277
10
3sec
... (3.2) Frekuensi resonansi dihitung menggunakan Persamaan. (3.1) dan periode total siklus frekuensi dihitung dalam Pers. (3.2) dimana frekuensi resonansi adalah berbandingterbalik dengan total cycle per detik. Siklus, D dihitung dengan persamaan. (3.3). Setelah menerapkan nilai R1 dan R2 ke Persamaan. (3.3), 51% dari siklus dihitung. Walaupun demikian siklus tidak mempengaruhi kinerja sistemnya.
)
4
,
3
(
)
2
,
1
(
)
4
,
3
(
R
R
R
R
R
R
D
... (3.3)%
99
100
000
.
20
200
000
.
20
x
D
3.4.6.2 Parameter KumparanKumparan berbentuk melingkar digunakan dalam proyek ini. Desain kumparan didasarkan pada persamaan Neumann. Nilai induktansi yang dibutuhkan dari kumparan dihitung dari Persamaan (3.4.1)
8
2
1
2 0a
R
In
R
N
L
... (3.4)di mana; N adalah jumlah lilitan, R adalah jari-jari kumparan, 0adalah konstan permeabilitas dan a adalah jari-jari konduktor. Dengan demikian,
2
001
,
0
)
035
,
0
(
8
4
25
)
035
,
0
(
5
1
L
2x
e
7In
6 10 100 1 L F
x 9
1,...8 6,83 10
C
Berdasarkan nilai yang dihitung dari L1,L2 dan dipilih nilai C8, frekuensi resonansi dari proyek ini dihitung dengan menggunakan Persamaan. (3.4) adalah 1500 kHz, sehingga dapat dipenuhi prinsip kopling resonansi magnetik ini.
Gambar 3.11 Total Magnetik Fluks yang dihasilkan
3.4.7 Peralatan-peralatan yang digunakan
- Analog Multi Tester (Ohm-meter, Voltage-meter, LCR_meter)
- Osciloscope (Stereoscope) – merk Leader Signal Generator – merk Leader
- Tools Kit.
3.4.8 Ekperimental dan Set up Desain
Dalam percobaan praktis, ada 4 perbedaan set-up yang dibuat. - Transformator 12V digunakan sebagai catu daya rangkaian,
- Dalam rangkaian osilator adalah blok yang penting digunakan sebagai pemancar.
- Dua kumparan tembaga dengan kapasitor terhubung digunakan sebagai penerima.
- LED digunakan sebagai beban yang terhubung dengan penerima.
3.4.9 Total pelaksanaan proyek diberikan di bawah ini Persiapan perangkat:
- Catu daya transformator 12V dengan rangkaian penyearah telah siap di tenagai.
- Choke RF (radio frekuensi).
- Kumparan penerima yang merupakan sebuah induktor dan kapasitor ditempatkan dengan jarak tertentu dari rangkaian pemancar.
- Rangkaian LC–tank dengan kumparan pengirim akan menghasilkan resonansi
- Ketika switching pertama dilakukan, LED yang difungsikan sebagai beban menyala hingga jarak maksimal 60 sentimeter dengan tegangan diukur 2,2 volt.
Pengujian dilakukan dengan menerapkan variasi high speed n-channel MOSFET. MOSFET mencerat arus (low drain) ke sumber untuk memberikan resistensi dan disipasi daya yang lebih tinggi dalam
menemukan performa yang lebih baik dalam rangkaian. Pada awalnya, rangkaian pemancar tidak terosilasi; bahkan satu buah MOSFET dan induktor memanas secara cepat. Perlu diantisipasi dengan menambakan switch (pemutus aliran arus yang menuju ke rangkaian osilator) saat power-up oleh karena hal ini bisa jadi penyebab hubung-singkat. Setelah rangkaian osilator mulai berosilasi sangat sedikit daya yang tersedia pada kumparan penerima. Karena kumparan penerima mendapatkan dampak medan elektro magnetik yang sedikit dari resonansi, proses pemindahan daya belum sepenuhnya terjadi. Ini diselesaikan dengan menambahkan rangakaian LC-tank dengan loop identik dan kapasitansi, sehingga kedua sirkuit memiliki frekuensi resonansi yang sama.
3.4.10 Ringkasan
Teoritis Model dan rangkaian pelaksanaan sistem transfer daya nirkabel dirancang berdasarkan konsep kopling resonansi magnetik. Berbagai faktor optimasi juga dipertimbangkan saat merancang seluruh sistem. Karena pendekatan umum, disajikan sistem transfer daya nirkabel dapat dioptimalkan untuk kendala desain baru atau untuk aplikasi yang berbeda.
Dalam fisika dan teknik faktor Kualitas (Q-faktor) adalah parameter berdimensi yang menggambarkan karakteristik dari Osilator vs Resonator, atau ekuivalen, karakter bandwidth resonansi relatif terhadap frekuensi pusatnya. Lebih tinggi Q
menunjukkan tingkat yang lebih rendah atau menunjukkan adanya energi relatif yang tersimpan pada osilator telah hilang; osilasi padam lebih lambat. Sebuah bandul ditangguhkan dari bantalan berkualitas tinggi, berosilasi di udara, memiliki Q tinggi. Osilator dengan faktor kualitas yang tinggi memiliki redaman rendah.
Bandwidth, dari osilator teredam ditunjukkan pada grafik energi terhadap frekuensi. Faktor Q dari osilator teredam, atau terfilterisasi. Semakin tinggi Q, bandwidth pada puncak semakin tajam. Bandwidth dari osilator teredam ditunjukkan pada grafik energi terhadap frekuensi.
