ANALISA MEDIA TRANSMITTER DAN RECEIVER DAYA LISTRIK
PADA WIRELESS CHARGER TESLA
Iwan [email protected]
Abstrak
Sistem transfer daya listrik pada saat ini sangat dibutuhkan,dengan adanya sistem wireless yang digunakan untuk mempermudah mengambil sumber daya listrik untuk menghidupkan komponen-komponen elektronik secara praktis, dengan Metode yang digunakan pada sistem Wireless Power Transmission adalah induksi resonansi magnetik. Dimana, tegangan dengan frekuensi tinggi dipancarkan oleh transmitter lalu dengan prinsip resonansi tegangan yang dipancarkan dapat diterima oleh receiver dalam bentuk tegangan berfrekuensi sama dengan transmitter. Pada penelitian ini untuk menghasilkan tegangan berfrekuensi digunakanlah oscillator.
PENDAHULUAN
Dijaman modern sekarang ini banyak sekali alat-alat yang sangat canggih banyak dikeluarkan, alat-alat tersebut pastinya tidak terlepas yang namanya sumber daya atau membutuhkan sumber daya listrik.maka dari itu bermunculan inovasi-inovasi baru untuk menciptakan berbagai macam media yang dijadikan suplai tenaga listrik atau sumber listrik untuk mengisi alat-alat elektronik yang membutuhkan tenaga listrik.dimana sumber listrik tersebut akan dijadikan inti untuk menghidupan komponen tersebut.kembali kepada penemu-penemu listrik yang sudah sanga-sangat berjasa sekali untuk menciptakan sumber tenaga listrik,sehingga pada saat ini seluruh manusia sudah menikmati hasil penemuan mereka yaitu listrik yang memberikan penerangan.
Pada tahun 2007 secara mengejutkan, Marin Soljacic dkk peneliti di Massachusetts Institute of Technology (MIT), berhasil menyalakan balon listrik 60 watt pada jarak 2 meter . Mereka menemukan bahwa untuk mendapatkan efisiensi transmisi energi listrik yang tinggi, antara pengirim dan penerima harus memiliki frekwensi resonansi yang sama.
Sebuah transmitter wireless energi listrik memancarkan medan magnet dengan bantuan coil yang dipancarkan dengan frekuensi yang sama dengan receiver. Agar impedansinya optimal, digunakan gulungan kabel pada kedua sisinya. Gulungan kabel juga berfungsi sama seperti gigi transmisi sepeda. Saat menanjak gigi transmisi diturunkan agar mendapatkan energi yang lebih efisien, begitupun sebaliknya. Receiver juga
menentukan sendiri tegangan yang diperlukan sesuai dengan ukuran. Dengan teknologi ini tidak ada kontak fisik antara pengirim dan penerima. Selain itu, transmiter juga hanya memancarkan energi sebanyak yang diperlukan oleh receiver.
Pada akhir abad ke 18, seorang ilmuan yang bernama Nikola Tesla memiliki pemikiran tentang bagaimana mentransmisikan tengangan dengan media udara atau dengan kata lain tanpa perantara kabel (wireless). Dari percobaan yang dilakukan tersebut dihasilkan sebuah alat yang dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu kumparan Tesla (Tesla Coil) . Dengan Alat ini Nikola Tesla dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi, arus yang kecil, frekuensi yang sangat tinggi dan berhasil mengirimkan daya listrik sebesar 1.000.000 volt tanpa melalui suatu kabel sejauh 26 mil untuk menyalakan kurang lebih 200 lampu dan 1 motor listrik.
Gambar 1. desain awal wireless power transfer Nikola Tesla
TRANSFER ENERGY
menghubung lokomotive dan gerbong memungkinkan kereta untuk bergerak dan mengalahkan gaya gesek antara roda kereta dengan rel sehingga kereta dapat melaju.
Kopling magnetik terjadi ketika medan magnet pada salah satu objek berinteraksi dengan objek yang lain dan menginduksikan arus listrik pada objek tersebut. Melalui mekanisme ini energi listrik dapat ditransfer dari sumber supply energi ke peralatan yang memerlukan energi listrik.
Sangat berbeda dengan kopling mekanik seperti yang dicontohkan pada kereta api, kopling magnetik tidak memerlukan kontak secara fisik antara sumber pengirim atau pembangkit energi dengan objek yang menerima energi tersebut.
Gambar 2. Magnetic Coupling
Rangkaian oscillator pada prinsipnya hampir sama dengan rangkaian inverter untuk mengubah gelombang searah DC menjadi gelombang denyut AC. Pada rangkaian digital komponen oscillator sederhana seperti crystal banyak digunakan sebagai pembangkit clock
sinyal pada integrated circuit agar dapat berkomunikasi IC to IC. Sedangkan pada perangkat elektronik saat ini rangkaian oscillator banyak digunakan pada
rangkaian power supply/ SMPS (switch main Power supply) Dengan bantuan IC PWM sebagai trigger untuk menghasilkan gelombang denyut. Sedangkan pada pengembangan saat ini dalam dunia kelistrikan dimana tuntutan teknologi yang semakin besar akan effisiensi dalam hal biaya dan instalasi, konsep wireless power
atau transmit daya listrik dalam jumlah besar tanpa menggunakan kabel sebagai penyalur utama menjadi tantangan dibanyak belahan dunia. Rangkaian oscilolator menjadi bagian penting dalam sistem wireless power, dimana gelombang denyut yang dihasilkan rangkaian oscillator pada dasarnya menghasilkan medan elektromagnetik yang berubah-ubah. Dan jika radiasi medan elektromagnetik tersebut terkena kawat/ konduktor yang berada dalam jarak radiasinya maka akan menyebabkan timbulnya arus pada kawat tersebut (percobaan faraday).
Gambar 3. Diagram wireless Power Transfer
Vinduksi = - N d∅
dt
∅ = BA
N = Jumlah lilitan untuk osilator elektronik sirkuit dengan menggunakan kombinasi dari induktansi (L) dengan kapasitor (C) untuk penentuan
frekuensi, demikian juga disebut LC osilator . Fitur yang membedakan rangkaian Colpitts adalah bahwa umpan balik sinyal diambil dari pembagi tegangan yang dibuat oleh dua kapasitor secara seri. Salah satu fitur utama dari jenis osilator adalah kesederhanaannya (hanya memerlukan induktor tunggal) dan ketahanan.
RANGKAIAN TRANSMITTER (PEMANCAR)
Perancangan transmitter (pengirim/ pemancar) merupakan bagian yang paling penting dalam sistem ini, jika tidak ada rangkaian pemancar, maka sebuah tegangan dari supply tidak dapat di transmisi / dihantarkan tanpa menggunakan kabel.
Dalam perancangan rangkaian Transmitter dibutuhkan beberapa komponen agar supaya energi yang dipancarkan oleh alat tersebut
menghasilkan pancaran energi yang baik, komponen utama yang sangat penting
adalah kawat email. Diameter kawat email yang digunakan dalam rangkaian ini adalah 3 mm
Gambar 4 Rangkaian Transmitter
RANGKAIAN RECEIVER (PENERIMA)
Pada penelitian ini receiver (penerima)
gelombang elektromagnetik dengan proses
resonansi magnetik, rangkaian penerima
hanya terdiri dari rangkaian LC saja yang
akan terhubung ke beban. Rangkaian LC.
Untuk mendapatkan penerimaan
gelombang yang hampir sempurna, maka
frekuensi resonansi sendiri pada rangkaian
penerima kurang lebih sama dengan
frekuensi resonansi pada rangkaian
transmitter, ini berguna untuk
mendapatkan frekuensi resonansi bersama
bisa terpenuhi. Jika, dalam suatu sistem
pengiriman daya listrik tanpa kabel
konstruksi dan perancangan pada sisi
penerima juga akan sangat mempengaruhi
daya listrik yang dapat diterima baik itu
yang dihasilkan ke beban. Unjuk kerja
yang dihasilkan dalam sistem ini
diharapkan lebih baik jika dibandingkan
dengan menggunakan konsep induksi
tradisional seperti pada konsep yang
dipakai pada trafo, tetapi mungkin tidak
lebih baik jika dibandingkan dengan
memakai kabel seperti biasa.
Gambar 5 Rangkaian Receiver
METODE PENELITIAN
Dalam menjelaskan rancang bangun system dan prosedur pengukuran alat pengukur frekuensi untuk pengiriman daya nirkabel. Namun sebelumnya agar lebih sistematis dan mudah di mengerti atau dipahami. Maka membutuhkan sebuah tahapan untuk membantu proses pembuatan dan mencapai tujuan yang diharapkan.
Gambar. 6 Tahapan wireless charger
Penghantar daya tanpa kabel,yang secara umum lebih dikenal dengan sebutan wireless powernya berupa rangkaian pengirim ( transmitter ) dan rangkaian penerima ( receiver).berikut skema pembuatan rancang wireless power supply.
Gambar 6. Digram plant dasar
Rangkaian transmitter atau rangkaian
penghasil sinyal akan mengirimkan sinyal
dengan frekuensi 52 khz, sinyal yang
dikirim pada dasarnya berupa induksi
membangkikan arus pada lilitan receiver,
seperti yang kita ketahui berdasarkan
penelitian faraday bahwa medan magnet
yang berupa terhadap waktu dapat
membangkitkan arus listrik pada
konduktor. Sinyal yang diterima pada
receiver berupa sinyal sinus. Agar sinyal
yang diterima pada receiver berupa sinyal
sinus yang stabil dan dengan daya yang
maksimal maka harus dibuat rangkaian LC
yang frekuensi resonansinya 52 khz.sinus
soidal yang ditangkap tidak bias langsung
diaplikasikan kebeban yang menggunakan
arus bolak-balik (AC) karena frekuensi
yang berada diatas frekuensi peralatan
yang banyak beredar dipasaran atau
sebesar 50 hz karna dapat menyebabkan
panas berlebih dan dapat merusak
komponen. Oleh karna itu pada receiver
dibuat rangkaian bridge diode untuk
merubah dari arus AC menjadi arus DC
untuk kemudian dimanfaatkan pada beban.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam pengujian transmitter terdapat
dua jenis pengujian untuk melihat trend
yang terjadi pada sistem tersebut.
Pengujian ini bertujuan untuk melihat
frekuensi yang dihasilkan dari transmitter
yang telah dibuat hingga mendapatkan
nilai yang kiranya dianggap optimal baik
dari sisi biaya maupun hasil yang
diinginkan, pengujian itu terdiri dari :
Pengujian frekuensi transmitter
tanpa beban
Pengujian frekuensi transmitter
dengan beban
Analisa Pengujian frekuensi transmitter tanpa beban.
Tabel 1. Data percobaan tanpa beban
berbanding terbalik dan sebanding lurus dengan kenaikan tegangan pada sistem. Dari data diatas belum bisa mereperesentasikan mana nilai yang terbaik dari transmitnya, namun bila tegangan yang menjadi patokan untuk transmisi maka bisa dipastikan semakin besar kapasitor (sekitar 8-9 cap) akan semakin bagus karena nilai tegangan yang dihasilkan juga sangat besar. Namun hal lain yang perlu dilihat yaitu pada hukum kecepatan rambat dimana:
v = λ × f (4-1)
maka semakin kecil nilai frekuensi akan berpengaruh pada kecepatan rambat (jika kita asumsikan panjang gelombang selalu sama). Dengan lambatnya kecepatan rambat pada sistem maka akan mempengaruhi penghantaran daya. Oleh karena itu dari data diatas dapat diambil nilai rata-rata frekuensi yang terjadi, dengan demikian akan diperoleh berapa nilai yang masih reasonable untuk digunakan pada sistem ini. Hal ini akan dipermudah bila telah mendapatkan data dari percoban ke dua.
Tabel 2. Perbandingan perhitungan dengan percobaan tanpa beban
Gambar 7. pengukuran di Osciloscope
pada kapasitor ke 7
Hasil data tabel 2 diatas merepresentasikan bahwa sistem yang dibuat telah sesuai dengan teori yang ada. Kesalahan-kesalahan yang terjadi pada sistem ini tidak terlalu signifikan karena jika dilihat dari persentasi error
yang ada nilainya tidak lebih dari 10%, dengan nilai demikian dapat disimpulkan bahwa sistem telah berjalan hingga dapat membentuk gelombang resonansi yang diinginkan.
Analisa sistem dengan perubahan frekuensi dengan beban
Pada pengujian yang kedua ini, dilakukan pengambilan data frekuensi yang sama seperti percobaan pertama, namun ditambahkan sebuah receiver
dimana pada receiver tersebut diberikan sebuah beban yang berupa lampu pijar yang memiliki spesifikasi, 12 V/8W.
percobaan pertama percobaan dilakukan dengan mengubah-ubah nilai kapasitor yang ada pada transmitter sehingga perubahan yang terjadi pada percobaan pertama juga akan sama terjadi pada percobaan kedua. Namun perbedaan antara percobaan pertama dan kedua adalah pada saat pengukuran disini terdapat rangkaian
receiver sebagai pembuktian apakah memang sistem WPT berjalan.
Dengan adanya receiver pada percobaan kedua bukan berarti receiver
menjadi tolak ukur untuk pembahasan dalam analisa ini. Receiver disini hanya sebagai pelengkap data dari proses analisa untuk mendapatkan nilai transmit yang terbaik. Sedangkan untuk pembahasan
receiver akan dibahas pada penulisan yang lainnya.
Data yang terdapat di tabel 3, merupakan data yang di dapat dari percobaan yang dilakukan. Terlihat trend
perubahan yang terjadi pada tabel 3 hampir sama dengan trend pada tabel 1. Dimana, dengan adanya kenaikan jumlah kapasitor maka akan terjadi penurunan pada frekuensi sehingga akan dikatakan berbanding terbalik dan sebaliknya terjadi kenaikan pada tegangan atau sebanding lurus dengan kenaikan tegangan pada sistem.
Namun, dengan adanya data tegangan yang diterima pada receiver
maka hasil ini akan dapat membantu untuk menentukan mana jumlah kapasitor yang paling optimum untuk transmitter. Dari data nilai yang paling baik terjadi mulai pada kapasitor ke 6 dimana tegangan RMS
yang terbaca di Osciloscope sebesar 16,40 Vrms (dengan beban lampu 12V/8w) dan semakin baik di mana ketika jumlah
kapasitor ke 7 dengan nilai tegangan RMS
21Vrms.
Tabel 3. Data percobaan dengan beban
Tabel 4. Perbandingan perhitungan dengan percobaan dengan beban
Gambar 7 Pengukuran pada receiver di osciloscope pada kapasitor ke 9.
Berdasarkan pengujian yang dilakukan untuk sebuah perancangan transmitter
pada sistem Wireless Power Transmission
(WPT). Maka didapat sebuah kesimpulan yang didapat adalah :
1. Sebuah transmisi daya dapat dilakukan secara nirkabel dengan mengunakan prinsip resonansi pada
2. Rangkaian switching merupakan rangkaian yang mengubah arus se-arah menjadi arus bolak balik dengan frekuensi tertentu.
3. Rangkaian resonansi merupakan rangkaian yang terdiri dari induktor dan kapasitor yang tersusun paralel, sehingga dapat membuat tegangan dapat terpancar yang dikarenakan hasil frekuensi rangkaian resonansi tersebut. 4. Semakin jauh jarak antara receiver
dengan transmitter dapat mempengaruhi tegangan yang diterima receiver.
DAFTAR PUSTAKA
Dr David Pottinge, The Possibility Of WirelesElectricity,2009
<http://stepsandleaps.wordpress.com/2009 /09/15/the-possibility-of-wireless
electricity> .
Budimir Djuradj and Marincic Aleksandar (2006) , Research Activities and Future Trends of Microwave Wireless PowerTransmission,SIXTHINTERNATIONA L SYMPOSIUM NIKOLA TESLA, Serbia
Estimation of Output Voltage and Magnetic Flux Density for a Wireless Charging System with Different Magnetic Core Properties. Journal of Magnetics18(2),105-110(2013.
Evaluation of Wireless Resonant Power Transfer Systems With Human Electromagnetic Exposure Limits.IEEE Transaction on Elektromagnetic compatibility.
