ANALISIS IMPLEMENTASI POWER WIRELES TRANSFER MENGGUNAKAN RANGKAIAN ROYYER OSCILATOR TESIS OLEH : RICKI ANANDA

ANALISIS IMPLEMENTASI POWER WIRELES TRANSFER MENGGUNAKAN RANGKAIAN ROYYER OSCILATOR

TESIS

OLEH :

RICKI ANANDA 167034002

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2018

TESIS

Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

OLEH :

RICKI ANANDA 167034002

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

2018

Telah Lulus : 23 Agustus 2018

PANITIA PENGUJI TESIS

Ketua : Ir. Syafruddin HS., M.T.,Ph.D Anggota : 1. Dr. Ali hanafiah Rambe., ST., MT

2. Ir. Surya Hardi., M.Sc., Ph.D 3. Dr. Maksum Pinem., ST.,MT

ABSTRAK

Penggunaan wireless saat ini tidak lagi hanya bisa mengirim data atau file, pengiriman daya atau perpindahan energi bisa diterapkan menggunaan sistem tenologi jaringan nirkabel atau lebih dikenal sebagai wireless energy transfer. Tujuan penelitian mengimplementasikan wireless power transfer(WPT)dalam bentuk prototipe dengan memanfaatkan rangkaian royer oscillator sebagai modul utamanya.

Beban yang digunakan berbentuk lampu hemat energi dengan variasi 5 watt dan 4 buah lampu 12 watt. Pengamatan dilakukan pada nilai kapasitor dan jarak antar pemancar dan penerima yang bervariasi. Untuk menyalakan beban secara maksimal (beban digunakan lampu 12 watt sebanyak 4 lampu dengn total beban 48 W), WPT dhubungkan ke USB 5V, dan terhubung ke baterai dan rangkaian booster converter.

Sistem WPT juga menggunakan baterai, USB tipe 4056, sebagai bentuk alternatif dari (uninterruptible power supply) UPS sistem. Hasil penelitian menjelaskan bahwa pada jarak 25 cm dengan menggunaan input 10,8 VAC, dengan arus keluaran dari transmitter sebesar 0,03 A, dan perubahaan nilai kapasitor 15 nf/100v x 14 C pada bagian transmitter (coil transmitter lebih besar dari coil receiver). Pemasangan tiap tiap kapasitor dengan jarak 25 cm, memberi dampak peningkatan nilai maksimal, dengan tegangan 10.7 VAC, arus 0.03 A, dan penurunan freq 398.4 kHz. Sedangkan untuk jarak 35 cm juga mendapatkan nilai maksimal tegangan 7,4 V, arus 0.03 A, dan penurunan frequensi 174,5 Khz. Efisiensi terbesar pada kedua jarak tersebut didapat,

cm

25 =99.0% dan _35cm=68.6%. Dengan beban lampu 5 watt sebagai indikator, dimana jumlah besar nilai kapasitansi yang dipasang mempengaruhi jarak dan kecerahan lampu indikator. WPT dihubungkan ke USB 5V, dan terhubung ke baterai dan rangkaian booster converter, sehingga jarak 35 cm, didapat input tegangan 2.1 dan keluaran tegangan 77 V, dengan daya keluaran 10,01 W, arus 0.03 A, dan persentasi perbandingan daya tertinggi 4534, 3%. Dengan penggunaan baterai 7,4 V pada booster converter maka sistem mampu melayani beban sebesar 48 Watt dengan jarak pengisian (charging) sejauh lebih dari 35 cm.

Kata Kunci : Wireless Power Transfer, Royer Oscillator, Booster Converter, Power Supply.

ABSTRACT

Wireless usage can no longer send data or files power delivery or energy transfer can be applied using the system wireless networking or better known as wireless energy transfer. The research objective implements wireless power transfer (WPT) within shape prototype by utilizing royer oscillator circuit as its main module.The load used in the form of energy saving lamp with variation 5 watt and 4 lamp 12 watt. Observations were made on the capacitor values and the distances between the various transmitters and receivers. To maximize the load (12 watt lamps are used with a total of 48 W), the WPT is connected to a USB 5V, and connected to a battery and a booster converter circuit. The WPT system also uses a battery, USB type 4056, as an alternative form of (uninterruptible power supply) UPS systems. The results explained that at a distance of 25 cm with use of input 10.8 V from transformer 5A and change the capacitor value of 15nF / 100v x 14 C on the transmitter (coil transmitter greater than coil receiver). Installation of each capacitor with a distance of 25 cm, gives the effect of increasing the maximum value, with a voltage of 11 V, current 0.03 A, and a decrease in freq 398.4 kHz. While for a distance of 35 cm also get a maximum voltage value 7,4 V, current 0.03 A, and decreased frequency 174,5 kHz. the greatest efficiency at both distances is obtained,

= 99.0% and = 68,6%. With a 5 watt lamp load as an indicator, where the large amount of installed capacitance values affects the distance and brightness of the indicator light. WPT is connected to USB 5V, and connected to battery and booster converter circuit, so 35 cm distance, obtained input voltage 2.1 v and output voltage of 77 V, with output power of 10.01 W, current 0.13 A, and percentage increase in power 4534,3%. With the use of 7,4 V battery and booster converter then the system is able to serve 48 Watt load with a charging distance of 35 cm.

Keyword : Royer Oscillator,Wireless Power Transfer, Booster Converter, Power Supply.

KATA PENGANTAR

Syukur Alhamdulillah penulis sampaikan kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat dan karunianya penulis dapat menyelesaikan tesis ini, dengan judul “Analisis Implementasi Power Wireles Transfer Menggunakan Rangkaian Royyer Oscilator”, sebagai salah satu upaya untuk menyelesaikan pendidikan penulis

dibidang Magister Teknik (M.T) pada Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakults Teknik, Univerisitas Sumatera Utara (USU).

Ungkapan rasa terimakasih yang tak terhingga penulis sampaikan kepada seoarang petani dan seorang guru Sekolah Dasar (Mak dan Bapak) yang tanpa sepengetahuan nya memberi semangat kepada penulis dalam menjalani hidup ini, dan menjadikannya motivasi dan dorongan untuk kembali menjalani hidup lebih semangat.

Penulis menyadari bahwa dalam penyusunan tesis ini tidak terlepas dari bimbingan, bantuan, arahan, motivasi, maupun fasilitas dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat dan mengucapkan terimakasih setulusnya kepada :

1. Bapak Suherman., S.T., M.Comp.,Ph.D. Selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) yang telah banyak membantu penulis dalam mempublikasikan tesis ini kebentuk prosiding.

2. Bapak Ir. Syafruddin HS., M.T.,Ph.D. Selaku dosen pembimbing satu, yang banyak memberikan masukan dalam perancangan rangkaian royyer oscillator

dan masukan dalam penggunaan komponen elektronika di rangkaian booster converter.

3. Bapak Dr. Ali hanafiah Rambe., ST., MT, selaku dosen pembimbing dua, yang banyak memberikan masukan dalam penyusunan kata kata dan format penulisan tesis ini.

4. Bapak Ir. Surya Hardi., M.Sc., Ph.D dan Dr. Maksum Pinem., ST.,MT, Selaku dosen penguji yang banyak memberikan masukan dan banyak memberikan motivasi serta menjadikan mental penulis menjadi lebih berani dalam mempertahankan pernyataan.

5. Bapak M.Fitra.,M.T., Ph.D selaku Ketua Program Studi Magister Teknik Elektro Universitas Muhamadiyah Sumatera Utara (UMSU), yang banyak memberikan masukan dalam perancangan coil pada rangkaian wireless power transfer.

6. Wahyudi dan Azrian, selaku siswa penulis di SMK Negeri 2 Tanjungbalai, yang banyak membantu dalam perancangan rangkaian royyer oscillator.

7. Bapak Anda Putra Lubis., S.E.,M.M selaku ketua yayasan pendidikan royal teladan ashan, yang banyak membantu penulis dalam pembiayaan dimasa perkuliahan berlangsung.

8. Seluruh Mahasiswa, Dosen dan Civitas Akademika Program Studi Magister Teknik Elektro USU Angkatan 2017

Dengan keterbatasan pengalaman, ilmu maupun pustaka yang ditinjau, penulis menyadari bahwa tesis ini masih terdapat beberapa kekurangan dan kelemahan. untuk itu saran dan kritik yang konstruktif akan sangat membantu agar tesis ini dapat

menjadi karya ilmiah yang baik dan membanggakan. semoga tulisan ini dapat berguna bagi pembaca, dan dapat dilanutkan untuk memperoleh hasil yang lebih bermanfaat dikemudiaan hari.

Medan, Agustus 2018

Penulis

DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Saya yang bertanda tangan dibawah ini,

Nama : Ricki Ananda

Tempat/Tanggal Lahir : Tanjungbalai/29 Juni 1991 Jenis kelamin : Laki laki

Agama : Islam

Bangsa : Indonesia

Alamat : Jln. Selat Tanjung Medan, Kec. Datuk Bandar Timur.

Kota Tanjungbalai – Sumatera Utara Menerangkan dengan sesungguhnya riwayat hidup sebagai berikut :

PENDIDIKAN

1. Tamatan SD Negeri 143224 Tahun 2003

2. Tamatan SMP Neger 1 Tanjungbalai Tahun 2006 3. Tamatan SMA Negeri 2 Tanjungbalai Tahun 2009 4. Tamatan Pen.Teknik Elektro Universitas Negeri Medan Tahun 2013 PEKERJAAN :

 Dosen Sistem Komputer, STMIK ROYAL - KISARAN

Medan, 23 Agustus 2018 Penulis,

Ricki Ananda

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... v

ABSTRAC ... vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR RIWAYAT HIDUP ... x

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR TABEL ... xiii

DAFTAR GAMBAR ... xiv

BAB 1 PENDAHULUAN ... 01

1.1. Latar Belakang Masalah ... 01

1.2. Perumusan Masalah ... 04

1.3. Batasan Masalah ... 05

1.4. Tujuan Penelitian ... 05

1.5. Manfaat Penelitian ... 06

1.6. Sistematika Penulisan ... 06

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ... 08

2.1. Perkembangan Power Wireless Transfer (PWT) ... 08

2.2. Magnetik ... 11

2.3. Induksi Magnet ... 12

2.4. Pengiriman Energi Dengan Induksi Resonansi ... 16

2.4.1. Resonansi ... 16

2.4.2. Resonansi Elektromagnetik ... 16

2.4.3. Resonansi Kopling Magnetik ... 18

2.5. Komponen Pendukung Pembentuk WPT... 20

2.5.1. Induktor Toroid ... 20

2.5.2. Mosfet IRFZ44N ... 22

2.6. Rangkaian RLC ... 24

2.7. Royer Oscillator ... 25

2.8. Rangkaian Booster Converter ... 27

BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 30

3.1. Bahan Penelitian... 30

3.2. Alat Penelitian ... 30

3.3. Batasan Objek Kajian ... 31

3.4. Prosedur Penelitian... 31

3.4.1 Perancangan Rangkaian Power Supply ... 33

3.4.2 Perancangan Rangkaian Royyer Oscillator (Transmitter) ... 34

3.4.3 Perancangan Receiver (Penerima)... 36

3.5. Pengujian dan Pengumpulan Data ... 37

BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN ... 39

4. 1. Perancangan Rangkaian Wireless Power Transfer (WPT) .. 39

4. 2. Analisa dan Kalibrasi Awal ... 40

4. 3. Pengujian Pemasangan Kapasitor ... 40

4.3.1 Keluaran transmitter (TX) dengan pemasangan kapasitor ... 41

4.3.2 Hasil keluaran receiver (RX) dengan beban 5 watt jarak 7 cm ... 42

4.3.3 Hasil keluaran receiver (RX) dengan beban 5 watt jarak 12 cm ... 44

4.3.4 Hasil pemasangan kapasitor pada receiver ... 45

4.3.5 Hasil pengukuran output rangkaian booster converter 48 4. 4. Perhitungan perbandingan efisiensi yang dihasilkan TX dan RX ... 50

4. 5. Perhitungan perbandingan keluaran booster converter (Joule thief) ... 52

BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 54

5.1. Kesimpulan ... 54

5.2. Saran ... 55

DAFTAR PUSTAKA ... 56 LAMPIRAN

DAFTAR TABEL

Nomor Judul Halaman

3.1. Daftar komponen pembentuk rangkaian power supply ... 33 3.2. Spesifikasi komponen Rangkaian Royyer Oscillator ... 35 3.3. Spesifikasi komponen joule thief ... 36 3.4. Spesifikasi alat yang digunakan untuk pengumpulan data .. 38 4.1. Hasil awal kalibrasi oscilloscop OWON, type PDS 5022 T 40 4.2. Perbandingan penggunaan jumlah kapasitor dengan

Tegangan 9.8 V pada rangkaian transmitter ... 41 4.3. Perrbandingan penggunaan jumlah kapasitor pada jarak

7cm, pada rangkaian Receiver tanpa joule thief ... 4 4.4. Perbandingan penggunaan jumlah kapasitor pada jarak 12

cm,pada rangkaian receiver tanpa joule thief ... 45 4.5. Perbandingan pengukuran kapasitor pada output USB 5V

dan datasheet USB 5 V, pada jarak 12 cm ... 46 4.6. Hasil pengukuran output rangkaian Booster Converter ... 48 4.7. (a) Efisiensi dan perbandingan daya pada transmitter dan

receiver pada jarak 7 cm ... 50 4.8. (b) Efisiensi dan perbandingan daya pada transmitter dan

receiver pada jarak 12 cm ... 51 4.9. Perbandingan nilai Persentasi kenaikan tegangan pada

keluaran booster converter dengan Output USB 5V ... 53

DAFTAR GAMBAR

Nomor Judul Halaman

2.1. Medan magnet yang dihasilkan kawat aberarus ... 11

2.2. Proses medan magnet pada satu kumparan ... 12

2.3. Kopling magnetik dengan empat fluks komponen ... 14

2.4. Rangkaian ekuivalen kopling resonansi magnetik ... 14

2.5. Diagram sirkuit transmisi daya nirkabel resonan ... 15

2.6. Hubungan medan listrik dan medan magnet ... 17

2.7. Diagram rangkaian WPT dengan coupled resonanti ... 19

2.8. Rangkaian wireless power transfer ... 20

2.9. Cara menghubungkan toroid RF cooke ... 22

2.10. Rangkaian RLC dan bentuk vorter ... 24

2.11. Rangkaian royyer oscillator ... 26

2.12. Posisi kerja rangkaian booster converter. ... 27

2.13. Rangkaian diagram booster converter ... 29

3.1. Flowchart diagram alir penelitian ... 32

3.2. Rangkaian dari power supply ... 34

3.3. Rangkaian royyer oscillator ... 36

3.4. Rangkaian joule thief di receiver ... 37

4.1. Rangkain scematik board pembentuk wireless power transfer 39 4.2. Titik pengukuran dibelitan transmitter (TX) ... 41

4.3. Bentuk gelombang pada saat ditambah kapasitor ... 42

4.4. Titik pengukuran receiver ... 43

4.5. Tampilan lampu sebagai indikator ... 44

4.6. Flow diagram sistem kerja wireles power transfer ... 45

4.7. Titik pengukuran output USB TP 4056 ... 46

4.8. Kecerahan LED USB 5V pada saat ditambah kapasitor ... 47

4.9. Titik pengukuran di output booster converter ... 48

4.10. Tampilan nyala lampu dan bentuk gelombang ... 49

4.11. Pengaruh jumlah kapasitor terhadap keluaran receiver ... 51

4.12. Perbandingan tegangan input, dengan keluaran booster ... 53

BAB 1

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Masalah

Jaringan nirkabel atau jaringan tanpa kabel umum disebut dengan kata Wireless , yang merupakan tekhnologi yang sering dipakai untuk mengirim data atau file dari komputer satu kekomputer lainnya, dengan menggunakan sistem wireless.

Jarak pengiriman tergantung dari jenis jaringan yang digunakan, seperti pengiriman file dari jarak 0 - 5cm, menggunakan komponen elektronika berupa photo dioda.

Untuk jarak 0 - 5 m, menggunakan komponen elektronika infrared (IR) dan untuk jarak pengiriman data 0 - 10 m menggunakan blueooth (Integrated Circuit-HC05), atau menggunakan jaringan Personal Area Network (PAN), sedangkan untuk jarak 10 – 50 km, menggunakan jaringan Metropolitan Area Network (MAN) biasanya digunakan untuk mengirim file atau data dari tiap kota kekota lainnya [1].

Perkembangan teknologi jaringan nirkabel (Wireless) yang semakin maju, kini tidak lagi hanya bisa mengirim data atau file, pengiriman daya atau perpindahan daya juga bisa diterapkan menggunakan sistem tersebut yang dikenal sebagai wireless energy transfer (WPT). Prinsip dasar wireless energy transfer, tersedianya dua coil pemancar dan penerima yang memiliki frekuensi resonansi yang sama, dapat mentransfer energi secara efisien untuk jarak pertengahan (mid-range). Sejumlah penelitian telah dilakukan pada wireless energy transfer termasuk model dan analisis.

2

yang setara memanfaatkan kerja dua kopling induktif atau magnetik berdasarkan prinsip elektromagnetik [2].

Penelitian sebelumnya membahas tentang pemanfaatan jaringan nirkabel untuk memindahkan daya listrik atau Wireles Power Transfer telah pernah dilakukan dengan beberapa macam mekanisme. Pada tahun 1893 Nikola Tesla telah melakukan penelitian transfer energi wireless dengan membangun menara Wardenclyffe di Shoreham, Long Island, yang berfungsi sebagai sarana telekomunikasi nirkabel dan pengiriman daya listrik. Tesla berhasil megirimkan energi listrik sejauh 47 meter untuk menyalakan sebuah lampu pijar [3].

Kurs Andre dan kawan-kawan (2007), mendemonstrasikan pengiriman energi listrik nirkabel yang diberi nama Witricity. Pada penelitian tersebut, energi listrik dengan daya 60 Watt dapat ditransfer secara nirkabel pada jarak sekitar 2 meter dengan efisiensi mencapai 40%, dengan menggunakan frekuensi antara 1 – 10 GHz, dengan daya yang mengalir pada circuit berkisar antara 400 Watt pada tegangan medan listrik 210 V dan arus 1 Amper. [4].

Dari beberapa penelitian diatas menjelaskan bahwa sistem kerja dari wireless power transfer (WPT) adalah jika sisi pengirim atau Transmiter (rangkaian TX, lilitan tembaga satu yang terhubung kesumber, diberi tegangan maka akan terjadi induktansi di sekitar sisi transmiter. Jika sisi transmiter telah diberi tegangan atau dialiri arus, maka akan timbul fluks magnetik. Fluks magnetik pada sisi transmiter akan merambat ke kumparan penerima atau receiver (rangkaian RX, atau kumparan

yang terhubung kebeban seperti Lampu, motor dan lainnya) dan menimbulkan induksi medan magnet pada kumparan receiver. Fluks medan magnet pada kumparan receiver akan menghasilkan gaya gerak listrik induksi pada rangkaian kumparan receiver atau beban.

Berdasarkan hal tersebut, peneliti ingin merancang Prototype Power Wireles Transfer, berupa skematik, dan skematik-board rangkaian transmitter utuk penguat tegangan. Rangkaian transmitter yang akan dirancang menggunakan rangkaian royyer oscilator. Osilator (Oscillator) adalah suatu rangkaian elektronika yang menghasilkan sejumlah getaran atau sinyal listrik secara periodik dengan amplitudo yang konstan. Gelombang sinyal yang dihasilkan ada yang berbentuk Gelombang Sinus (Sinusoide Wave), Gelombang Kotak (Square Wave) dan Gelombang Gigi Gergaji (Saw Tooth Wave). Pada dasarnya sinyal arus searah atau DC dari pencatu daya (power supply) dikonversikan oleh Rangkaian Osilator menjadi sinyal arus bolak-balik atau AC sehingga menghasilkan sinyal listrik yang periodik dengan amplitudo konstan. Tiga istilah yang berkaitan erat dengan rangkaian Osilator adalah Periodik, Amplitudo dan Frekuensi [5].

Tujuan dari analisa yang akan dibahas, untuk melihat perubahan frekuensi, tegangan dan arus yang di transfer ke rangkaian receiver (RX) dengan pengaruh jumlah pemasangan kapasitor pada rangkaian royyer oscilator pada rangkaian transmitter (TX). Alat pengukur tegangan dan arus berupa ammeter digital, dan alat pembaca nilai frekuensi suatu bentuk gelombang digunakan Oscilloscop. Dengan

4

diketahuinya nilai maksimal dari efisiensi Tegangan masuk (Vin), dan Tegangan keluar (V_out) yang berhasil dikirimkan, proses pengembangan pada teknologi wireless power transfer bisa diaplikasikan ataupun dikembangkan pada perangkat elektronik ataupun kendaraan listrik yang memiliki karateristik kebutuhan daya masing – masing. Selain itu, dengan penambahan prinsip kerja dari booster converter, bertujuan untuk mengaplikasikan pengiriman energi, di wireless power transfer pada pengisian baterai littium yang nantinya membangkitkan tegangan keluaran dari output booster. Berdasarkan latar belakang masalah, dan beberapa referensi yang dijadikan acuan, maka penelitian ini diberi judul “Analisis Implementasi Power Wireles Transfer Menggunakan Rangkaian Royyer Oscilator”.

1.2. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah, maka dapat dirumuskan beberapa masalah yang muncul, diantaranya:

a. Mengukur nilai tegangan, arus, dan frekuensi yang sampai pada rangkaian receiver.

b. Menghitung hasil pengukuran terhadap pengaruh jumlah pemasangan kapasitor pada nilai tegangan, arus, dan frekuensi yang sampai pada rangkaian receiver.

c. Mengetahui nilai efisiensi, daya, tegangan dan arus pada keluaran receiver.

d. Mengetahui nilai efisiensi, daya keluaran, tegangan dan arus pada keluaran rangkaian booster converter.

e. Bagaimana mendesain bentuk rancangan skematik dan rancangan skematik board untuk penguat tegangan pada sisi pengirim, dan prototype power wireless transfer.

1.3. Batasan Masalah

Mengingat luasnya permasalah mengenai power wireless transfer, maka permasalahan pada penelitian ini dibatasi.

a. Penelitian difokuskan pada masalah pengaruh jarak antara sisi kumparan receiver terhadap tegangan, arus dan frekuensi keluaran yang dihasilkan oleh power wireless transfer.

b. Pemasangan jumlah nilai kapasitor juga akan dianalisa, apakah ada pengaruh terhadap perubahan nilai arus, tegangan dan frekuensi pada kumparan receiver yang ditransfer oleh rangkaian transmitter pada royyer oscillator.

1.4. Tujuan Penelitian

a. Merancang prototype power wireless transfer dengan menggunakan rangkaian royyer oscilator sebagai rangkaian pengirim.

b. Menganalisis nilai tegangan, arus dan frekuensi yang diterima oleh rangkaian receiver.

c. Mengamati pengaruh jarak terhadap nilai efisiensi tegangan, arus dan frekuensi pada kumparan receiver terhadap perubahan nilai kapasitor.

6

1.5. Manfaat Penelitian

Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini diantaranya:

a. Menjadi salah satu rujukan untuk pengembangan sistem power wireless transfer di penelitian yang akan datang.

b. Mengetahui secara pasti nilai efisiensi tegangan, arus dan frekuensi pada rangkaian receiver saat jumlah kapasitor ditambah pada rangkaian royyer oscilator.

c. Membangun sistem pengisian (charging) baterai littium dengan menggunakan wireless power transfer.

1.6. Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan berisikan tentang sub judul yang dibahas di tiap tiap bab pada penelitian ini, diantaranya:

BAB I : Membahas tentang pendahuluan, yang menjelaskan tentang gambaran umum permasalahan yang diangkat, rumusan masalah, batasan masalah, manfaat penelitian dan sistematika penulisan pada penelitian ini.

BAB II : Membahas tentang tinjauan pustaka atau kajian teoritis yang berhubungan dengan kajian penelitian diantaranya, medan elektromagnetik, medan listrik, medan magnet, indukstansi sendiri (self inductance), induktansi bersama (mutual inductance), royer oscilator,booster converter, prinsip power wireless transfer, rangkaian transmitter dan rangkaian receiver.

BAB III : Berisikan metodologi penelitian yang terdiri dari teknik pengukuran yang dilakukan, diagram alir penelitian, bentuk rancangan rangkaian royyer oscilator dan perbandingan klasifikasi antara efeisiensi tegangan, arus dan frekuensi pada prototype power wireless transfer.

BAB IV : Berisikan tentang data hasil pengujian dan pengukuran yang digunakan berupa nilai tegangan, frekuensi, tegangan puncak, diantaranya meliputi nilai kalibrasi standar oscilloscope, nilai keluaran trafo pada lilitan skunder dan power supply, nilai keluaran rangkaian transmitter (Royyer Oscilator), rangkaian receiver, keluaran booster converter dan bentuk gelombang.

BAB V : Berisi kesimpulan dan saran yang didapat dari penelitian yang telah dilakukan.

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Perkembangan Wireles Power Tranfer (WPT)

Pengiriman daya dengan teknologi nirkabel merupakan perkembangan dari konsep elektromagnetik yang telah dibahas pada subbab sebelumnya. Konsep ini telah mendasari proses transmisi daya yang pernah dilakukan oleh ilmuwan Nikola Tesla dan teknologi transmisi listrik microwave. Kedua macam teknologi itu merupakan bentuk transfer daya menggunakan radiasi [5]. Tahun 1900 Nico Tesla mengusulkan penggunaan gelombang radio untuk mengirimkan daya pada saluran listrik tegangan tinggi. Dalam buku yang berjudul prodigal genius the life of nikola tesla yang dibuat oleh Jj Oneil, menjelaskan bahwa percobaan yang dilakukan oleh Nico Tesla mampu menyalakan ratusan lampu pijar dengan jarak 26 mil. Ratusan lampu tersebut menyala dengan menggunakan sumber dari bumi, dan disebut sendiri oleh tesla sebagai free energy. Tahun 1930 an para ilmuwan dijaman itu menggunakan ide dari Nico Tesla untuk sistem transmisi tenaga, tetapi percobaan yang dilakukan oleh para peneliti berbeda dengan penelitian yang dilakukan oleh Nico Tesla. Para peneliti menggunakan kebalikan yang dilakukan oleh Nico Tesla, yaitu meningkatkan nilai frekuensi yang tinggi dengan menggunakan metode gelombang microwave. Tahun 1964, William C Brown berhasil menunjukan peningkatan frekuensi pada percobaan helikopter bertenaga microwave yang berhasil menggunakan frekuensi 2,45 GHz atau rentang 2,4 - 2,5 GHz.

Mengacu dari percobaan yang dilakukan oleh Nico Tesla ditahun 1990, Massachussetts Institute Of Technology (MIT) ditahun 2007, membuat sistem strongly coupled magnetic resonance, dan berhasil mentransmisikan daya sekitar 60 Watt, dengan efisiensi sekitar 40% dengan jarak 2 meter. Perbedaan yang dilakukan oleh MIT, yaitu penggunaan coil yang berfrekuensi tinggi, lalu diterima dengan menggunakan prinsip resonansi tanpa memerlukan grounding. Sedangkan pada percobaan tesla pada proses transmisi daya harus selalu terhubung dengan tanah (grounding).

Herrea recano dan kawan kawan (2010), melakukan penelitian dengan judul inductive resonant coupling, penjelasan dari hasil penelitian yang mereka lakukan inductive resonant coupling merupakan suatu teknologi untuk mentransfer energi secara nirkabel dengan menggunakan sebuah coil sebagai pemancar dan coil lainnya sebagai penerima. Teknologi ini berdasarkan prinsip dua coil (resonator) memiliki frekuensi resonansi yang sama [6].

Abhijeet Orke dan kawan kawan (2014) dengan judul penelitian Wireless Power Transfer merencanakan penggunaan tegangan tinggi. Sumber tegangan tinggi diambil dari modul flyback, dan dihubungkan kekumparan pengirim. Cara ideal untuk mengirimkan daya atau energi listrik dengan menggunakan sistem nirkabel, dapat dilakukan dengan mencegah garis gaya magnet yang hilang selama proses berlangsung, dapat dilakukan dengan cara metode kopling magnetik, tetapi penggunaan kopling magnetik harus bekerja pada jarak yang tetap. Ketika rangkaian

10

penerima dipindahkan dari tempat kerjanya, maka efisiensinya akan berkurang, dikarenakan garis gaya magnet bekerja pada jarak yang terbatas [7].

Syed Khalid Rakhman dan kawan kawan (2014), pada penelitian nya membuat dua receiver. Receiver pertama satu putaran, dan receiver kedua dengan belokan ganda. Dengan tebal tembaga 0.6 mm dan radius 13 inc. Pada receiver pertama dengan jarak 12 cm didapat data tegangan 0.108 V, Arus 0.00143 A, daya 154.44 µW, Efisiensi 21.54366 % dan pada receiver kedua mendapat data tegangan 0.0253 V, arus 0.00199 A, daya 50.347 µW, efisiensi 3.374351% [8].

Mystica dan Michael (2014) mengatakan bahwa Transfer daya nirkabel melibatkan transmisi daya dari sumber listrik ke beban listrik tanpa hubungan, melintasi celah udara. Dasar dari sistem tenaga nirkabel pada dasarnya melibatkan dua coil dan sebuah coil pemancar dan penerima. Kumparan pemancar diberi energi dengan arus bolak-balik untuk menghasilkan medan magnet, yang pada gilirannya menginduksi arus pada coil penerima. Dasar-dasar transfer daya nirkabel melibatkan transmisi energi induktif dari pemancar ke penerima melalui medan magnet berosilasi. Untuk mencapai Direct Current (DC) ini, dipasok oleh sumber listrik, diubah menjadi Alternating Current (AC) frekuensi tinggi dengan alat elektronik yang dirancang khusus yang terpasang pada pemancar [9].

Fareq dan kawan-kawan (2014), dengan judul penelitian Low wireless power transfer using inductive coupling for mobil phone charger mendapati hasil penelitian pada saat transmitter dengan receiver berjarak 0,5 cm mendapat tegangan keluaran

dari receiver 4,36 VDC, dan pada jarak terjauh 5 cm, mendapatkan tegangan keluaran dari receiver 3.79 VDC. Ketika jarak 5cm transmitter dan receiver diberi penghalang berupa tangan, casing handphoe, buku dan plastik, dan tegangan keluaran dari Receiver tidak terpengaruh apa apa. Berdasarkan hal tersebut kesimpulan dalam penelitian yang telah mereka lakukan, transfer daya nirkabel tidak banyak terpengaruh oleh bahan pelindung berupa tangan, buku maupun jenis pelastik [10].

2.2. Magnetik

Magnet merupakan kekuatan fundamental alam yang bisa menyebabkan suatu benda tarik menarik (jika kedua kutub berlawanan jenis), dan akan tolak menolak (jika kedua kutub sesama jenis). Suatu penghantar bisa menjadi medan magnet jika kawat tersebut dialiri oleh arus. Kuat arus listrik dan rapat medan magnet sering divisualisasi seperti Gambar 2.1

Gambar 2.1. Medan magnet yang dihasilkan kawat berarus

Pada saat arus mengalir pada suatu kawat penghantar, akan menimbulkan medan magnet (B) yang membungkus disekitar kawat. Ketika arus berbalik arah, medan magnet juga berbalik arah, seperti ditunjukan pada Persamaan 2.1 [11].

12

𝐵 =_2πR^µ0Ia_r ... (2.1) Keterangan :

B = kuat medan magnetik (T)

µ0 = Permeabilitas ruang hampa (4π x 10^-7 /(H/m)).

I = Kuat arus listrik (A) R = Jarak titik dari kawat (m)

a_r = Unit vektor satuan dalam arah r (jari-jari)

Pada Gambar 2.2 dijelaskan bahwa pada saat arus mengalir pada suatu coil penghantar akan menimbulkan medan magnet (B). Garis medan magnet tercipta pada saat arus mengalir melalui coil atau konduktor. Dimana pada saat arus berbalik arah, medan magnet juga berbalik arah.

Gambar 2.2. Proses medan magnet pada satu kumparan

2.3. Induksi Magnet

Percobaan yang dilakukan Michael Faraday (1791-1867), merumuskan bahwa medan magnet yang berubah terhadap waktu dapat menimbulkan ggl induksi. Jika sebuah magnet digerakan didalam kumparan (dimajukan dan dimundurkan, dan ujung ujung kumparan dihubungkan dengan galvanometer) maka membuat jarum

galvanometer bergerak kekiri dan kekanan. Hal ini menunjukan dengan adanya medan magnit yang berubah ubah. Sedangkan jika magnet didiamkan didalam kumparan, maka jarum galvanometer tidak bergerak. Sehingga disebut induksi elektromagnetik.

Bergeraknya jarum galvanometer menunjukan terdapatnya arus listrik, yang terjadi akibat induksi elektromagnetik, karena perbedaan beda potensial yang timbul di tiap ujung ujung kumparan. Hal ini disebut dengan gaya gerak listrik (ggl) induksi.

GGL induksi terjadi pada saat kutub utara magnet didekatkan pada kumparan mengakibatkan jumlah garis gaya yang masung semakin banyak. Perubahan jumlah garis gaya yang masuk menyebabkan penyimpangan jarum galvanometer dan hal yang sama akan terjadi, pada saat magnet digerakan keluar dari kumparan. Tetapi jarum galvanometer akan bergerak kekiri. Menurut Faraday, besar GGL induksi pada kedua ujung kumparan sebanding dengan laju perubahan fluks magnetik yang dilingkupi kumparan. Artinya, makin cepat terjadinya perubahan fluks magnetik, makin besar GGL induksi yang timbul. Fluks magnetik adalah banyaknya garis gaya magnet yang menembus suatu bidang.

Kopling induktif atau magnetik bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetisme. Ketika sebuah kawat didekatkan dengan medan magnet, akan terjadi induksi medan magnet pada kawat tersebut. Transfer energi antara kabel melalui medan magnet merupakan prinsip kopling induktif [8]. Gambar 2.3 ditunjukan dua buah coil transmitter dan receiver yang berhadapan, sehingga menimpulkan induksi bersama.

14

Gambar 2.3. Kopling magnetik dengan empat fluks komponen

Kopling resonansi magnetik menggunakan prinsip yang sama dengan kopling induktif, tetapi menggunakan resonansi untuk meningkatkan rentang di mana transfer energi dapat terjadi secara efisien. Resonansi dapat berupa dua jenis: (a) resonansi seri & (b) resonansi paralel. Dalam kedua tipe resonansi ini, prinsip mendapatkan energi maksimum sama tetapi metode sangat berbeda. Gambar 2.4 ditunjukan bentuk rangkaian ekuivalen kopling resonansi magnetik, dengan resonansi seri [7].

Gambar 2.4. Rangkaian ekuivalen kopling resonansi magnetik

Efisiensi sistem yang digabung tergantung pada bagaimana cara banyaknya energi ditransfer dari yang ditransmisikan kerangkaian penerima.

𝑛_{𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦} = E𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑟 .max

E𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟 .max ... (2.2) Energi maksimum yang ditemukan pada ETransmitter.max yang ditransmisikan, adalah jumlah energi yang awalnya diletakkan pada kapasitor input Ct oleh sumber tegangan V0.

𝐸𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟 𝑟.𝑚𝑎𝑥 ≈ 𝐸_{𝑖𝑛𝑖𝑡} = ¹₂C_tV_in² ... (2.3)

Pada Gambar 2.5 ditunjukan Vin adalah tegangan Ct, pada waktu = 0, selama durasi pulsa positif C_t bertindak seperti sumber tegangan dan melengkapi rangkaian loop dengan elemen pemancar Rt, Lt, Ct [7].

Gambar 2.5. Diagram sirkuit transmisi daya nirkabel resonan

Energi maksimum yang ditransfer ke penerima hanya sebagian kecil dari energi input. Energi yang ditemukan rangkaian penerima adalah:

𝐸_{𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑟} = ¹₂ ^{2 2}

2 1

cr r r

rI CV

L  ... (2.4)

Pada tingkat tegangan maksimum pada rangkaian penerima, arus menjadi nol dan tidak ada arus yang mengalir rangkaian. Pada titik ini energi yang tersimpan

16

dalam induktor penerima adalah nol karena arus nol. Jadi, energi penerima yang dimaksimalkan adalah:

𝐸𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟 .𝑚𝑎𝑥 =¹₂C_rV_{out .max}² ... (2.5)

2.4. Pengiriman Energi Dengan Induksi Resonansi 2.4.1 Resonansi

Resonansi merupakan kejadian yang banyak terjadi pada sistem fisika.

Resonansi dapat terjadi karena pengaruh frekuensi alami, namun untuk mendapatkan sebuah proses resonansi yang memiliki efisiensi energi yang baik maka sebaiknya ditambahkan sebuah sistem osilasi. Sebagai contoh sebuah sistem osilasi sederhana adalah ayunan yang didalanya terlibat energi kinetik dan energi potensial. Ayunan akan bergerak bolak balik pada keadaan tertentu sesuai dengan panjang ayunan nya.

Tinggi dan tidaknya ayunan tersebut tergantung dari koordinat lengan dan gerakan kaki anak yang bermain ayunan terhadap gerak ayunan. Sehingga ayunan tersebut dapat dikatakan berosilasi pada frekuensi resonansi dan gerakan sederhana dari anak yang menggunakan ayunan tersebut merupakan sebuah efisiensi energi yang ditransmisi kedalam sistem [12].

2.4.2 Resonansi Elektromagnetik

Resonansi pada elektromagnetik terdiri berupa medan magnet dan medan listrik saling berkaitan, pada jarak tertentu dalam proses pemancaran dan penerima daya listrik menggunakan medan magnet dari pada menggunakan medan listrik

supaya lebih aman. Meskipun tidak ada media penghantar gelombang elektromagnetik akan memancar merambat contoh berupa trafo memakai inti besi pada proses jalannya induksi GGL. Prinsip resonansi terjadi apabila frekuensi pada sumber arus bolak-balik bernilai sama saat frekuensi resonansi pada kumparan. Jika rangkaian menggunakan sumber arus searah maka menggunakan rangkaian L dan C untuk digunakan membangkitkan frekuensi resonansi. Maka pada frekuensi resonansi bisa dibangkitkan dari rangkaian L dan C memakai cara sebagai berikut:

𝑓 = ¹

2𝜋 𝐿.𝐶 ... (2.6) Gambar 2.6 ditunjukan hubungan antara medan listrik dan medan magnet pada resonansi gelombang elektromagnetik untuk memperjelas pengertian diatas.

Gambar 2.6. Hubungan medan listrik dan medan magnet

Rangkaian resonansi ini berupa rangkaian LC yang dapat menciptakan arus bolak-balik dari sumber arus searah. Rangkaian LC terdapat dua komponen berupa induktor dan kapasitor yang mempunyai sifat untuk menyimpan energi, sifat induktor

18

dapat menyimpan energi medan magnetnya dan sifat pada kapasitor dapat menyimpan energi medan listrik. Besar sinyal yang dibangkitkan bisa dipengaruhi oleh nilai kapasitor dan induktor. Selain memakai alat ukur bisa menggunakan Persamaan (2.7) [13].

𝐿 = ^{(𝑈𝑟.𝑈0.}_𝑖^𝑁2.𝐴 ... (2.7)

Maka : L = Induktansi (H)

µr = Permeabilitas relatif bahan inti µ0 = Permeability vakum (4π x 10^-7 H/m) N = Jumlah lilitan induktor

A = Luas penampang induktor (m²) l = Panjang induktor (m)

2.4.3 Resonansi Kopling Magnetik

Kopling magnetik terjadi ketika dua benda bertukar energi melalui medan magnet yang berosilasi. Kopling resonan terjadi ketika frekuensi alami dari dua objek yang kira-kira sama.

Resonator pada bagian penerima terdiri dari induktansi penerima (RX) dan kapasitor. Gambaran secara umum di ilustrasikan pada Gambar 2.6 (a). Gulungan pemancar (TX) dan gulungan penerima (RX) dapat dianggap sebagai coupled transformator yang lemah. Untuk itu, diagram rangkaian ekivalen yang terdiri dari rangkaian induktif dan kapasitif dapat diturunkan secara ekivalen, seperti pada Gambar 2.7 (b). Dalam diagram rangkaian ini, gulungan (coil) merupakan salah satu

dari hambatan (resistansi) yaitu hambatan induktif. Dari diagram juga menunjukkan dengan jelas bahwa kapasitor resonansi membatasi induktansi yang liar pada bagian penerima dan induktansi magnetik pada bagian transmitter. Dengan menghilangkan nilai kapasitor tersebut maka rangkaian yang tersisa untuk transmisi daya adalah resistansi induktif dari gulungan (coil) yang nilai impedansinya lebih kecil dibandingkan dengan nilai dimana, impedansi adalah satu atau dua porsi besar lebih rendah dari pada induktansi. Oleh karena itu, jika menambahkan generator sumber tertentu kekuatan transmisi akan lebih dapat diterima.

(a) Bentuk coupled transformator lemah

(b) Fungsi kapasitor sebagai pembatas induksi liar Gambar 2.7. Diagram rangkaian WPT dengan coupled resonansi

20

Gambar 2.8 ditunjukkan penggunaan rangkaian wireless power transfer dengan menggunakan mosfet tipe TIP 35C. Dilihat dari prinsip kerjanya, TIP 35C, akan menguatkan arus yang akan dialiri ke lilitan coil transmitter [10].

Gambar 2.8. Rangkaian wireles power transfer

2.5. Komponen Pendukung Pembentuk WPT

Komponen elektronika merupakan alat alat listrik yang dibuat dengan fungsi yang berbeda beda. Ada beberapa komponen elektronika digunakan untuk pengkondisian sinyal berupa sensor, ataupun sebagai penguat sinyal listrik. Adapun beberapa komponen elektronika yang akan digunakan untuk pembentuk rangkaian royyer oscilator sebagai rangkaian transmitter, diantaranya:

2.5.1 Induktor Toroid

Kemampuan induktor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induktansinya, dalam satuan Henry (H). Induktor toroid merupakan induktor yang dililit pada inti atau core berbentuk lingkaran seperti donat. Biasanya selalu menggunakan inti besi (core), yang berbentuk lingkaran.

Pada umumnya, hubungan antara perubahan tegangan, induktansi, dan perubahan arus pada induktor ditentukan oleh rumus diferensial;

𝑣 𝑡 = 𝐿.^{𝑑𝑖(𝑡)}_𝑑𝑡 ... (2.8) Rumus induktansi sebuah induktor dengan inti toroid [11] :

D r

L _r N

2 2 0.



 ... (2.9) Keterangan :

L = Induktansi µ0 = Permeabilitas vakum µr = Permeabilitas relatif bahan inti

N = Jumlah lilitan r = Jari jari gulungan D = Diameter Keseluruhan

Penggunaan induktor pada toroid atau choke juga umum digunakan pada rangkaian pembangkit frekuensi atau amplifier. Gambar 2.9 diperlihatkan induktor yang dililitkan pada toroid atau choke (keramik bulat) hal ini difungsikan untuk memblokir (memiliki reaktansi tinggi) untuk frekuensi yang lebih tinggi dalam sebuah sirkuit listrik saat melewati sinyal dan frekuensi yang lebih rendah atau arus searah.

Gambar 2.9. Cara menggulung toroid RF choke (A) Salah (B) Benar

22

2.5.2 Mosfet IRFZ44N

Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) dengan kode IRFZ 540N (dari posisi pin sama dengan IRFZ44N), memiliki parameter tersendiri diantaranya :

1. On resistance Rds (on) : Drain dan source aktif, sehingga besar nya R akan menentukan daya (V.I) 2. Maximum Drain Current (Id-max) : Arus maksimum yang dapat dilalui aki

drain ke kaki source.

3. Power Dissipation (PD) : Daya maksimum yang dapat didisipasikan oleh mosfet

4. Avalanche Energy (EA) : Batasan mosfet dapat menampung energi yang terjadi saat avalanch (Vds maksimum dilewati).

5. Peak diode recovery : Parameter yang menyatakan seberapa cepat dioda-intrinsik mampu berubah keadaan dari status off ke on.

6. Drain-to-Source Voltage : Tegangan maksimum yang

diperbolehkan antara kaki drain dan source, ketika mosfet dalam keadaan off

7. Gate threshold Voltage, (Vgs) : Tegangan gate-source minimum yang menyebabkan mosfet mulai on

. Daya yang mampu ditangani oleh suatu Mosfet, adalah faktor penting dalam memilih mosfet apa yang digunakan. Daya yang di-disipasi mosfet adalah perkalian tegangan di mosfet dengan arus yang mengalir. Meskipun mosfet ini melewatkan arus yang besar, namun tegangan jatuh pada drain-source kecil, hal ini dikarenakan Rds(on) pada mosfet biasanya berada di kisaran 0,02 Ohm. Sedangkan pada saat mosfet off, arus yang melewati drain-source sangat kecil. Sehingga dapat dijabarkan dengan persamaan daya sebagai berikut [14].

)

2 (

on Rds i

P ... (2.10) Sumber lain yang menyebabkan mosfet menjadi panas, adalah pergantian kondisi dari on ke off atau sebaliknya, di mana terjadi kondisi singkat di mana mosfet berada pada kondisi 1/2 on dan 1/2 off. Atau secara umum, rumus daya terdisipasi rata-rata adalah :

Total watt transisi (V.I) * (Waktu transisi/waktu antar transisi (Frekuensi ))

2.6. Rangkaian RLC

Diketahui bahwa reaktansi dari induktor dan kapasitor pada diagram phasor berada di posisi 180 berlawanan. Jika X_c dan X_L bernilai sama, maka secara diagram keduanya saling menghilangkan. Gambar 2.10 dijelaskan bahwa harga impedansi dari rangkaian RLC sama dengan harga R. Hal ini dapat dibuktikan dengan rumus atau dengan vektor (diagram phasor) [11].

24

Gambar 2.10. (a) Rangkaian RLC (b) Bentuk vektor dari rangkaian RLC

Resonansi rangkaian LC terjadi pada frekuensi tertentu tergantung dari dua parameter yaitu besar induktansi dan kapasitansi. Jika R sangat kecil, kita mendapatkan rangkaian LC. Energi di dalam sebuah rangkaian LC berosilasi, dengan frekuensi f0, antara induktor dan kapasitor, dan sebagian kecil energy akan terbuang di R (resistansi tidak dapat dihidarkan). Untuk melihat ini secara lebih mendalam, andaikan terdapat sebuah rangkaian LC sempurna di mana R = 0. Asumsi pada t = 0 bahwa kapasitor terisi penuh dan saklar terhubung. Kapasitor akan mulai mengeluarkan muatannya. Dalam keadaan ini, arus (I) yang melalui induktor meningkat. Pada setiap titik waktu, beda potensial pada kapasitor, V Q/C (dimana Q adalah jumlah muatan sesaat pada kapasitor), harus sama dengan beda potensial pada inductor, yang sama dengan GGL nya, -L (I/ t ). ).

Pada saat di mana muatan kapasitor mencapai nol (Q=0), arus I pada induktor mencapai nilai maksimum, tetapi pada saat ini I tidak berubah. Di saat itu, medan magnet B pada induktor juga maksimum. Arus kemudian mulai berkurang dengan

j_x

XL

Xc R

mengalirnya muatan untuk berkumpul pada pelat-pelat yang berlawanan pada kapasitor. Ketika arus sudah menurun hingga nol, kapasitor mulai membuang muatan lagi, dengan arah arus yang berlawanan. Proses pengisian muatan ini berlangsung bolak-balik dari satu pelat kapasitor ke pelat lain, melalui inductor, berulang terus menerus. Ini dinamakan osilasi LC atau osilasi elektromagnet. Tidak hanya muatan yang berosilasi bolak balik tetapi juga energi, yang berosilasi antara bentuknya sebagai simpanan medan listrik di kapasitor dan simpanan medan magnet di induktor.

Saat terjadi kondisi tidak resonansi RLC maka transfer daya tidak akan maksimum karena akan daya yang hilang akibat rugi-rugi reaktansi. Dapat di jelaskan pada Persamaan 2.12 dan Persamaan 2.13 [11].

C

L jX

jX R

Z   ... (2.11)

j fC fl j R

Z  

2 2  1



 ... (2.12)

2.7. Royyer Oscilator

Royyer oscilator merupakan rangkaian yang bekerja menggunakan sistem control ZVS (Zero Voltage Switching), untuk mengaktifkan mosfet yang memungkinkan mentransfer daya yang efisien. Pada umumnya rangkaian royyer oscilator digunakan dirangakain pemanas induksi maupun di amplifier sebagai penguat frekuensi. Gambar 2.11 ditunjukan rangkaian royyer oscilator jenis resonansi kolektor yang umum digunakan untuk pemanas induksi,dan menyalakan lampu neon , dan mampu untuk menaikan voltage sekitar 800 V.

26

Gambar 2.11. Rangkaian royyer oscilator

Sumber tegangan +15 V, akan terhubung langsung ke R1 dan R2, dengan standar 240 Ω dengan ketahan daya alir 0,6 W. Nilai resistansi pada R1 dan R₂ akan mempengaruhi seberapa cepat mosfet dapat menyala. Penggunaan nilai yang kecil pada resistor juga akan membuat mosfet panas, serta tegangan keluaran dari resistor akan diarahkan oleh dioda menuju drain pada saat transistor yang berlawanan menyala. D1 dan D2 difungsikan untuk melepaskan gate mosfet dengan cara menurunkan tegangan, sehingga mosfet akan mati. Jenis dioda yang umum digunakan untuk mengarahkan tegangan ke drain, menggunakan jenis schottky, dikarenakan memiki penurun tegangan rendah dengan kecepatan tinggi. Selain itu, voltase dioda harus cukup untuk menahan kenaikan tegangan pada rangkaian resonansi [16].

2.8. Rangkaian Booster Converter

Boost-converter adalah konverter penaik tegangan DC ke level yang lebih tinggi. Sirkuit ini merupakan bentuk catu daya yang diperlukan ketika tegangan yang

dibutuhkan oleh suatu divais elektronik lebih tinggi dari tegangan catu yang tersedia.

Gambar 2.12 diperlihatkan prinsip kerja rangkaian boost converter pada posisi a) on state dan b) off state

(a) Posisi on state (b) Posisi off state Gambar 2.12. Posisi kerja rangkaian booster converter

Boost converter mempunyai dua mode fungsi tergantung pada posisi saklar (umunya menggunakan MOSFET maupun transistor) dimana saklar ini bekerja buka- tutup pada frekuensi tinggi. Dari Gambar 2.12 (a) bila saklar tertutup, arus mengalir melewati induktor searah jarum jam dan induktor menyimpan sejumlah energi dengan meregenerasi medan magnet di sebelah sisi kiri polaritas positif induktor.

Waktu saklar tertutup katakanlah Ton. Berikutnya dari Gambar 2.12 (b) bila saklar terbuka, medan magnet tadi polaritas akan berubah (sisi kiri berubah negatif sekarang) dan medan magnet akan dihilangkan kebentuk arus listrik kemudian disalurkan ke beban. Dengan demikian hasilnya seolah-olah ada dua buah sumber secara series akan disalurkan kebeban melewati dioda (D) kapasitor (C) dan beban

28

(R). Waktu saklar terbuka katakanlah Toff . Total waktu periode (T) diformulasikan.

Seperti ditunjukan Persamaan 2.13:

T = Ton + TOff ... (2.13)

Sementara frekuensi osilasi buka-tutup saklar dinyatakan pada Persamaan 2.14:

Off

on T

T f T

 

 1 1

. ... (2.14)

Empat parameter yang dibutuhkan untuk menghitung daya:

a. Input voltage range: VIN(min) dan VIN(max)

b. Nominal Output Voltage: VOUT c. Maximum Output Current: I_OUT(max)

d. Integrated circuit (IC) untuk membangun boost converter.

Menghitung duty cycle diformulasikan sebagai :

Vout x D V^IN_(min) 

 ... (2.15)

Dimana :

VIN(min) = Tegangan masukan minimal

VOUT = Tegangan keluaran yang diinginkan η = Efficiency dari converter

Pada Gambar 2.13 ditunjukan rangkaian booster converter yang terhubung kemosfet TIP 41.

Gambar 2.13 Rangkaian diagram booster converter.

Salah satu aplikasi konsep diatas adalah rangkaian yang disebut Joule-thief. Sirkuit Joule-thief dikenal sebagai rangkaian transistor pemblokiran sederhana yang bekerja sebagai pencuri energi yang bisa menghasilkan energi listrik besar dengan sumber energi sangat kecil. Rangkaian Joule-thief memiliki efisiensi tinggi, akselerasi handal dan respon dinamis yang sangat cepat [17].

BAB 3

METODELOGI PENELITIAN

3.1. Bahan Penelitian

Dalam peroses penelitian yang dilakukan tentang “analisis implementasi power wireless transfer menggunakan rangkaian royyer oscilator” menggunakan beberapa sub modul rangkaian elektronik untuk membuat prototype alat yang akan dianalisa dan beberapa referensi rujukan diantaranya:

a. Transformator 5 Amper, Merk : Sanlin.

b. Tembaga jumper, tembaga 0,5 mili.

c. Project board dan stecker.

d. Komponen elektronika.

e. Rangkaian Power Supply dengan keluaran 18 V

f. Rangkaian royyer oscilator sebagai rangkaian pengirim atau transmitter (TX)

g. Rangkaian penerima dengan beban Lampu 5 watt dan 12 watt.

h. Jurnal, literatur, tesis dan buku Medan Elektromagnetik.

3.2. Alat Penelitian

untuk membuat beberapa rangkaian elektronika yang termasuk kedalam bahan penelitian, maka diperlukan bebarapa peralatan pendukung, diantaranya:

a. Ocillosckop b. Ammeter

3.3. Batasan Objek Kajian

Batasan kajian yang akan menjadi tolak ukur dalam peneletian ini, difokuskan terhadap perubahan nilai kapasitor yang dipasangkan pada rangkaian royyer oscilator. Sehingga dapat dilihat apakah ada pengaruh perubahan nilai frekuensi, tegangan, perioda dan jarak induksi yang terjadi pada rangkaian receiver.

3.4. Prosedur Penelitian

Penelitian ini dimulai dari perancangan Power Supply 18 V yang digunakan sebagai input masukan dari rangkaian transmitter. Setelah itu perancangan rangkaian royyer oscilator difungsikan sebagai transmitter, dan rangkaian receiver langsung dihubungkan ke beban.

Pada saat kapasitor tidak dipasang pada rangkaian royyer oscilator, maka fungsi rangkain royyer oscilator berfungsi sebagai rangkaian induksi pemanas dan frekuensi yang dihasilkan rangkaian royyer oscilator tinggi. Sedangkan pada saat rangkaian royyer oscilator diberikan kapasitor perlahan lahan frekuensi menurun, tegangan dan jarak pada rangkaian receiver semakin meningkat.

Pada Gambar 3.1 ditunjukan flowchart diagram alir penelitian yang menjelaskan tentang tahapan prosuder penelitian yang akan dilakukan.

32

Gambar 3.1. Flowchart diagram alir penelitian tentang analisis implementas wireless power transfer menggunakan rangkaian royyer oscilator

MULAI

Studi Literatur

Pengumpulan Data, rangkaian, list komponen dan

elektronika.

Perancangan rangkaian : 1. Rangkaian Power Supply 2. Rangkaian Royyer oscilator 3. Rangkaian Boster Converter 4.

Analisa dan kalibrasi awal : 1. Kalibrasi awal oscilloscop 2. Kalibrasi awal ammeter

Analisa dan Pengujian Pemasangan Kapasitor : 1. Pemasangan 0,2,4,6,8,10,12 dan 14

Kapasitor

2. Perubahan frekuensi, tegangan, Pada Beban LED 5 Watt.

3. Perubahan frekuensi, tegangan, pada jarak 25 cm, dan 35 cm.

4. Pada saat pemasangan rangkaian booster converter pada beban 48 watt

Menyusun Kesimpulan, laporan dan jurnal

SELESAI

Adapun penjelasana tahapan atau prosedur yang akan dilakukan dalam penelitian ini, diantaranya :

3.4.1 Perancangan Rangkaian Power Supply

Perancangan Power Supply berfungsi untuk mentransfer arus melalui transformator. Tegangan AC (220V-50Hz) dari PLN, akan diubah menjadi tegangan DC 18VDC dengan menggunakan transformator. Selanjutnya tegangan 18VDC akan diarahkan menuju kapasitor atau beban dengan menggunakan dioda bridge. Adapun spesifikasi nilai komponen, jumlah komponen elektronika yang digunakan dalam perancangan Power Supply untuk rangkaian transmitter ditunjukan pada Tabel 3.1

Tabel 3.1 Daftar komponen pembentuk rangkaian Power Supply No Nama komponen Spesifikasi Jumlah

1 Transformator

Merk : Sanlin I : 10 A Vp : 0V, 110V,

220V, 240V Vs : CT, 12V,

18V, 24V

1

2 Kapasitor

4700uf 50V 85⁰C

2

3 Dioda 6A05 2

4 Jack jantan DC 1

Pada Gambar 3.2 fungsi dioda berguna sebagai penyearah penuh sedangkan untuk memperbaiki bentuk sinyal arus searah (Direct Current) yang terbentuk, digunakan kapasitor jenis elektrostatis yang dipasangkan secara paralel.

34

Gambar 3.2. Rangkaian dari Power Supply

3.4.2 Perancangan Rangkaian Royyer oscilator (Transmitter)

Tegangan 18 VDC dari Power Supply akan dibebankan kerangkaian royyer oscilator yang bekerja sebagai transmitter. Sistem kerja rangkaian ini bisa dilihat dari tiap jenis komponen yang digunakan seperti penggunaan 2 induktor yang terhubung dengan toroid inti udara, sehingga bisa disimpulkan kegunaan toroid yang dililitkan pada kawat tembaga berfungsi untuk menciptakan induktansi yang bertujuan untuk mengetahui nilai frekuensi pada rangkaian transmitter. Selain itu penggunaan mosfet IRFZ44N yang bertujuan untuk membangkitkan tegangan. Penggunaan dioda 2 buah dioda kaca (Zener) bertujuan untuk mengarahkan tegangan menuju kapasitor yang terhubung secara paralale. Hal ini bertujuan untuk mengubah tegangan masukan (VDC) dari rangkaian royyer oscilator menjadi tegangan AC.

Jumlah, nilai dan spesifikasi komponen yang digunakan untuk merancang rangkaain royyer oscilator yang berfungsi sebagai rangkaian pengirim (Transmitter), ditunjukan pada Tabel 3.2

Tabel 3.2. Spesifikasi komponen rangkaian royyer oscilator No Nama komponen Spesifikasi jumlah

1 Kapasitor 100 nf

15,65 nf

1 14 2 Resistor

100 Ω 10 KΩ 1KΩ

2 2 1

3 Induktor 100uH 100lilit

4 Dioda 1N4148

LED

2 1

5 Mosfet IRFZ44N 2

5 Tembaga PIDER ±20cm

6 Toroid

Inti udara, DL : 3mm, DO : 9mm.

H : 5mm

2

Gambar 3.3 menjelaskan tentang penggunaan komponen LC (induktor dan kapasitor), kapasitor yang digunakan adalah jenis keramik. Fungsi komponen LC merupakan bagian terpenting pada rangkaian royyer oscilator. Perubahan yang dilakukan LC membuat frekuensi berubah, hal ini yang menjadi percobaan tolak ukur pengujian.

Gambar 3.3. Rangkaian royyer oscilator dengan penambahan kapasitor

36

3.4.3 Perancangan Rangkaian Receiver (Joule thief)

Rangkaian Receiver atau penerima akan dihubungkan langsung ke rangkaian joule thief, sehingga dari sistem ini pada saat tegangan yang diterima receiver, langsung terhubung ke modul USB Charger dan kebaterai, dan pada saat rangkaian USB charger tidak menerima tegangan dari coil receiver maka dioda 1N4007 berfungsi sebagai pengaman di Modul USB Charger.

Jumlah, nilai dan spesifikasi komponen yang digunakan untuk merancang rangkaain Receiver “Joule Thief”, ditunjukan pada Tabel 3.3

Tabel 3.3. Spesifikasi komponen joule thief No Nama komponen Spesifikasi Jumlah

1 Trafo Primer : 6Ω

Skunder : 6Ω Feedback : 4Ω

1 (Bekas Charger HP)

2 Mosfet IRF 540N 2

3 Capasitor 1000 uf

100 nf

1 1

4 Restan 100 Ohm 1

5 USB Charger RC355 1

6 Dioda 1N4007 1

7 Baterai 7,4 V 1

Pada Gambar 3.4 menjelaskan fungsi penggunaan mosfet yang dihubungkan pada Trafo. Penggunaan mosfet dengan kode serial IRF 540N (Bisa diganti dengan Transistor tipe TIP 41, 32) berfungsi sebagai saklar untuk mengubah aliran arus dari posisi mengalir searah dengan arah jarum jam melewati induktor sehingga induktor menyimpan sebahagian energi dengan meregenerasi medan magnet disebelah sisi kiri polaritas positif induktor pada saat mosfet posisi tertutup , dan sebaliknya pada saat

tertutup polaritas medan magnet akan berubah (sisi kiri berubah negatif sekarang) dan medan magnet akan dihilangkan kebentuk arus listrik kemudian disalurkan ke beban. Dengan demikian hasilnya seolah-olah ada dua buah sumber secara seri akan disalurkan ke beban melewati kapasitor dan beban .

Gambar 3.4. Rangkaian joule thief di receiver

3.5. Pengujian dan Pengumpulan Data

Tujuan pengujian dan pengumpulan data dari penelitian ini, untuk mendapatkan pengaruh dari penggunaan rangkaian royyer oscilator pada power wireless transfer, apakah mempengaruhi jarak dan tegangan keluaran dari rangkian receiver. Selain itu juga mendapatkan bentuk prototype dari rancangan rangkaian royyer oscilator. Untuk mendapatkan data yang pasti akan digunakan multitester sebagai pengukur tegangan dan arus. Sedangkan untuk mengetahui frekuensi dan bentuk gelombang, maka akan digunakan oscilloscope. Adapun spesifikasi multitester dan osciloscope yang digunakan, ditunjukan pada Tabel 3.5

38

Tabel 3.4. Spesifiksi alat yang digunakan untuk pengumpulan data

No Alat Jenis Spesifikasi

1 Ammeter Digital

Merk : Sannuo Type : yx-360TRn VDC : 110 V ADC : 10 A 2 Oscilloscope Digital Merk : OWON

Serie : PDS

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Perancangan Rangkaian Wireless Power Transfer (WPT)

Tahap awal pada penelitian ini, mengubah rangkaian skematikwireless powertransfer menjadi skematik board. Seperti yang ditunjukan Pada Gambar 4.1 (a) merupakan rangkaian atau jalur komponen elektronika pada power supply yang digunakan sebagai rangkaian supply tegangan 12V, yang digunakan oleh rangkaain royyer oscilator. sementara pada Gambar 4.1 (b) merupakan rangkaian yang digunakan sebagai rangkaian transmitter (royyer oscilator) yang berfungsi sebagai rangkaian pengirim tegangan pada kumparan, dan pada Gambar 4.1 (c) merupakan rangkaian pencuri tegangan (joule thief), yang berfungsi untuk mengeluarkan tegangan dari baterai secara maksimal untuk menyalakan beban lampu 7 watt, kali 4 lampu.

(a) Rangkaian board power supply (b) Rangkaian board royyer oscilator

(c) Rangkaian board joule thief (booster converter)

Gambar 4.1. Rangkain scematik board pembentuk wireless power transfer

40

4.2 Analisis dan Kalibrasi Awal

Pada tahapan ini, bertujuan untuk mengetahui hasil kalibrasi yang sesuai pada oscilloscope maupun ammeter.Hasil kalibrasi dengan menggunakan sumber tegangan dari oscillocope, yang dihubungkan pada channel (CH) 1 oscilloscope dan probe multitester, ditunjukan pada Tabel 4.1

Tabel 4.1. Hasil awal kalibrasi oscilloskop OWON, type PDS 5022T

Freq 1 MHz Vamp 4.7V

Vpk-pk 5.040V Overshoot 3.4%

Periode (T) 1.000ms preshoot 3.4%

Cyc RMS 3.4V Rise Time <1.000us Vmax 4.9V Fall time < 1.000us Vmin -80. V +duty 49.9%

Vtop 4.8V -duty 50.1%

Vbase 80 mV Mean 2.43V

Hasil awal kalibrasi bertujuan untuk settingan oscilloscop pada posisi standart pabrikan, sehingga didapat hasil frekuensi dari kalibrasi 1Khz, dan tegangan puncak kepuncak 5V. Sementara hasil pengukuran dari ammeter didapat tegangan 4,9 Volt.

4.3 Pengujian Pemasangan Kapasitor

Pemasangan kapasitor merupakan tujuan dari penelitian ini, apakah ada pengaruh perubahan frekuensi maupun tegangan yang diakibatkan oleh penambahan jumlah nilai kapasitor tersebut. Jenis kapasitor yang digunakan jenis keramik dengan nilai 15 nF /100 V.

a. Keluaran transmitter (TX) dengan pemasangan kapasitor

Pemasangan kapasitor pada rangkaian transmitter mempengaruhi nilai keluaran arus yang akan ditransferkan serta nilai frekuensi yang semakin mengecil jika pemasangan kapasitor semakin meningkat pada rangkaian transmitter. Gambar 4.2 menunjukan titik pengukuran dari rangkaian transmitter,diukur dari ujung coil yang terhubung di pin kapasitor.

Gambar 4.2. Titik pengukuran dibelitan transmitter (TX)

Pengukuran yang dilakukan dengan oscilloscope, seperti ditunjukan pada gambar 4.2 didapat hasil pengukuran tegangan dan arus, ditunjukan pada Tabel 4.2

Tabel 4.2 Perbandingan penggunaan jumlah kapasitor dengan tegangan 10,8V Pada rangkaian transmitter

Jumlah kapasitor

Vtx Arus (A)

Power (W)

Frequensi (F)

Vpk-pk Periode (nS)

0 10,8 0 0 11,38 Mhz 27,8 V ^87,85nS

2 10,8 0 0 10,86 Mhz 24,8 V 92,12 nS

4 10,8 0,02 0,216 8,39 Mhz 18,8 V 119,2nS

6 10,8 0,03 0,324 25,49 KHz 17,8 V ^{39,23 nS} 8 10,8 0,03 0,324 20,36 KHz 17,2 V 49,12 nS 10 10,8 0,03 0,324 15,48 KHz 16,6 V 182,4 nS 12 10,8 0,03 0,324 12,33 KHz 14,3 V 235,5 nS 14 10,8 0,03 0,324 8,74 KHz 13,1 V 275, 5 ns