Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Pemanfaatan Energi Kinetik menjadi Energi Listrik Menggunakan Multi Generator pada Anak Tangga T1 612009054 BAB II

BAB II

LANDASAN SISTEM

Berikut adalah penjabaran mengenai sistem yang dibuat dan teori-teori ilmiah

yang mendukung sehingga dapat terealisasi dengan baik. Pada latar belakang penulisan

sudah dituliskan bahwa tugas akhir ini akan memanfaatkan energi terbuang saat menaiki

anak tangga kemudian digunakan sebagai sumber energi penerangan. Untuk

merealisasikannya dibuatlah anak tangga berpegas yang dapat memutar generator dan

menghasilkan energi listrik. Anak tangga dibuat berukuran selayaknya anak tangga di

tempat-tempat umum dan mampu menahan beban penggunanya sehingga dapat

diimplementasikan secara nyata.

Berikut adalah penjelasan secara garis besar mengenai mekanik anak tangga yang

dibuat dan sistem elektrik yang digunakan. Anak tangga dapat berubah ketinggiannya

karena adanya pegas, disini terbentuk energi potensial yang kemudian memutar

rangkaian gearbox. Saat gearbox berputar, timbulah energi kinetik akibat dari gerak

rotasi benda tegar dan dipengaruhi juga oleh rasio gearbox. Putaran inilah yang

kemudian meggerakkan rotor dari generator yang menghasilkan energi listrik.

Energi listrik searah yang dihasilkan oleh generator akan diubah menjadi dua

bagian menggunakan konverter AC-DC yang kemudian diperkuat dengan konverter

DC-DC. Konverter DC-DC ini akan menghasilkan tegangan yang cukup untuk mengisi

akumulator kering sebagai media penyimpanan energi. Karena generator yang

digunakan ada 2 buah, maka sebelum mengisi akumulator tegangan keluaran dari

konverter DC-DC akan diseri terlebih dahulu. Hasil akhir dari anak tangga ini adalah

energi yang dapat menyalakan sebuah lampu DC untuk penerangan disekitar anak

tangga. Berikut ini adalah teori-teori yang melandasi sistem yang dibuat.

2.1. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya. Energi

acuan tertentu. Besar energi potensial gravitasi sebanding dengan massa, percepatan

gravitasi serta ketinggian.

... (2.1)

dimana : = massa (kg)

= percepatan gravitasi (m/s2)

= ketinggian (m)

2.2 Gerak Rotasi Benda Tegar

Gerak rotasi merupakan gerak suatu benda yang berputar terhadap sumbu

putarnya, gerak rotasi ini dibagi menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah gerak rotasi

benda tegar sekitar sumbu tetap dan yang kedua adalah gerak rotasi benda tegar sekitar

sumbu bergerak [2]. Pada gerak rotasi benda tegar pada sumbu tetap memiliki besaran

fisika sebagai berikut.

Gambar 2.1. Rotasi Benda Tegar

Posisi sudut (θ) dapat dinyatakan dengan persamaan:

... (2.2)

di mana s adalah panjang segmen lingkaran yang disapu jari-jari r.

kecepatan sudut rata-rata dapat dinyatakan oleh persamaan

⁄ ... (2.3)

Nilai energi kinetik dari sebuah benda yang berotasi adalah

... (2.4)

... (2.5)

dimana I = momen inersia benda tegar (kg m2)

ω = kecepatan sudut rata-rata (rad/detik)

m = massa benda tegar (kg)

r = jarak dari sumbu rotasi (m)

2.3. Roda Gigi

Roda gigi digunakan untuk memindahkan daya dan kecepatan dengan lebih

mudah ke roda gigi lain yang saling berkaitan. Dengan perhitungan perbandingan roda

gigi yang tepat akan didapatkan perpindahan daya dan kecepatan yang maksimal.

Perbandingan roda gigi dalam kombinasi dapat dihitung dengan prinsip

berikut.[3]

Rangkaian penyearah gelombang penuh terdiri dari empat diode dan satu

kapasitor. Bentuk rangkaian ditunjukkan pada gambar berikut ini:

Gambar 2.2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

D4 menghantar di atas setengah siklus negatif. Dengan kata lain, dioda menghasilkan

tegangan keluaran DC dalam satu periode dari tegangan masukan AC, dengan secara

bergantian menyearahkan tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif [4].

Pada prinsipnya, nilai dc penyearah gelombang penuh diperoleh dari :

... (2.7)

karena nilai dari = 0,636 , sehingga :

... (2.8)

dimana : VP= Tegangan puncak (volt)

VF = Tegangan buka dioda (volt)

2.5. IC (Integrated Circuit) LM2577-Adj

IC LM2577-Adj[5] merupakan salah satu IC yang berfungsi sebagai regulator

penaik tegangan DC. Susunan pin dari IC ini ditunjukkan oleh Gambar 2.4, dan blok

diagram dari IC ini ditunjukkan oleh Gambar 2.3.

Gambar 2.4. Susunan Pin IC LM2577-Adj[5]

Rangkaian bekerja ketika ada tegangan masukan pada pin 5. Kemudian IC ini

melakukan pensaklaran hidup dan mati pada switch dengan frekuensi 52 kHz, keadaan

ini memunculkan energi pada induktor. Ketika transistor NPN dalam keadaan saturasi,

terjadi pengisian arus induktor sebesar Vin / L dan disimpan di dalam induktor. Saat

transistor cut-off, maka induktor mengalami pengosongan arus melalui dioda menuju

kapasitor keluaran (Cout) dengan nilai (Vout – Vin) / L. Jadi, energi disimpan dalam

induktor saat switch hidup dan dipindahkan ke keluaran saat switch mati. Tegangan

keluaran dikontrol oleh jumlah energi yang dipindahkan yang mana dikontrol pula

dengan memodulasi puncak arus induktor. Hal ini dilakukan dengan mengumpan balik

sebagian tegangan keluaran kepada Error Amp yang menguatkan perbedaan antara

tegangan umpan balik dengan tegangan refrensi yaitu 1,230 V. Tegangan keluaran dari

Error Amp dibandingkan dengan tegangan yang sebanding dengan arus switch yang

merupakan arus induktor saat switch hidup. Komparator akan mematikan switch ketika

tegangannya sama, dengan mengontrol arus puncak switch maka akan didapatkan

tegangan keluaran yang stabil.

Arus maksimum keluaran IC dapat dihitung dengan persamaan berikut.

... (2.9)

dimana : = Maksimum arus pada beban (A)

= Tegangan masukan minimum (V)

= Tegangan keluaran yang teregulasi (V)

Maksimum duty cycle dihitung dengan persamaan berikut

... (2.10)

Nilai minimum induktor dicari dengan persamaan berikut

... (2.11)

... (2.12)

Kemudian dengan persamaan tersebut, dapat dicari nilai induktor minimum dengan

melihat grafik berikut

Gambar 2.5. Grafik Pemilihan Nilai Induktor Pada LM2577[5]

Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dihitung sebagai berikut

... (2.13)

... (2.14)

Nilai Cout dihitung dengan 2 persamaan berikut

dan

... (2.16)

Tegangan keluaran dari IC dihitung dengan persamaan berikut