Pengaruh Penambahan Spektrum Merah Terhadap Kualitas Cahaya Lampu LED Putih Konversi Phosphor (PcLED)

(1)

Prosiding Pertemuan Ilmiah XXXI HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 18 Maret 2016 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXVIII HFI Jateng & DIY, Yogyakarta, 26 April 2014

ISSN : 0853-0823 ISSN : 0853-0823

Pengaruh Penambahan Spektrum Merah Terhadap Kualitas Cahaya Lampu

LED Putih Konversi Phosphor (PcLED)

Bambang Mukti Wibawa1, Darmawan Hidayat2, Setianto3 dan Mohammad Taufik4

1_{Departemen Teknik Elektro, FMIPA Universitas Padjadjaran, Bandung (}_{b.mukti.wibawa@unpad.ac.id}₎

2,4_{Departemen Teknik Elektro, FMIPA Universitas Padjadjaran, Bandung}

3_{Departemen Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran, Bandung}

Abstrak – Kualitas cahaya dari lampu dinyatakan oleh correlated color temperature (CCT) dan color rendering index (CRI).

Cahaya putih dari lampu phosphor-conversion LED (PcLED) terbentuk dari kombinasi antara cahaya biru dari LED dengan cahaya kuning hasil konversi fosfor. Umumnya PcLED mempunya nilai CRI sekitar 72 dan CCT antara 5000 – 6500 K. Pada penelitian ini dikaji pengaruh penambahan cahaya merah dari LED merah terhadap kualitas cahaya lampu PcLED yang dihasilkan. Intensitas pada tiap LED diatur secara pulse width modulation (PWM), cahaya dari lampu dikumpulkan pada integrating sphere dan spektrumnya diukur menggunakan spektrometer Ocean Optic. Berdasarkan analisa spektrum, telah terjadi peningkatan kualitas cahaya yang dihasilkan lampu. Dari seluruh rangkaian eksperimen yang dilakukan, hasil terbaik ada pada P90:M100 yaitu pada kondisi daya PcLED 90% dan LED merah 100%. Kondisi ini menghasilkan CRI: 88 dan CCT: 3840 K

Kata kunci: correlated color temperature (CCT), color rendering index (CRI), phosphor-conversion LED (PcLED), pulse

width modulation (PWM), analisa spektrum.

Abstract – The quality of light from the lamp is expressed by the correlated color temperature (CCT) and color rendering index

(CRI). The white light from the lamp phosphor-conversion LED (PcLED) is formed from a combination of blue light from the LED with yellow light phosphor conversion result. PcLED generally possessed a CRI value of about 72 and CCT between 5000-6500 K. In this study examined the effect of adding red light from the red LED on the quality of the light generated PcLED. The intensity of each LED is set by pulse width modulation (PWM), the light from the light collected at integrating sphere and spectrum were measured using Ocean Optics spectrometer. Based on the analysis of the spectrum, there has been increasing the quality of light produced by lamps. From the whole set of experiments conducted there turned out to be the best result in P90: M100 is the power conditions PcLED 90% and 100% red LEDs. This condition produces CRI: 88 and CCT: 3840 K.

Keywords: correlated color temperature (CCT), color rendering index (CRI), phosphor-conversion LED (PcLED),

pulse width modulation (PWM), spectrum analysis.

I. PENDAHULUAN

Lampu merupakan sumber cahaya buatan (artificial light) secara umum digunakan sebagai sumber penerangan yang berfungsi menggantikan cahaya matahari. Lampu berbasis light emitting diode (LED) terbentuk dari susunan larik (array) LED putih konversi phosphor (White Light Emitting Diode phosphor-conversion), biasa disebut PcLED (Gambar

1). Phosphor mengabsorbsi sebagian cahaya dari emiter

(LED biru) kemudian mengkonversinya menjadi panjang-gelombang yang lebih panjang dan mengemisikan kembali menjadi cahaya kuning. Perpaduan antara cahaya biru dan cahaya kuning tersebut menghasilkan cahaya dengan

spektrum lebar (broadband), oleh mata manusia

dipresepsikan sebagai cahaya putih-dingin (cool white). Kualitas cahaya dari dari sebuah sumber (lampu) dinyatakan oleh color rendering index (CRI) dan corelated color-temperatur (CCT). Cahaya cool white akan menyilaukan mata membuat mata cepat lelah, sehingga lampu jenis ini kurang nyaman digunakan sebagi lampu baca atau lampu

dalam-ruang (indoor) . Cahaya cool white mempunyai CCT lebih dari 6000 K dan CRI sekitar 70.

(2)

ISSN : 0853-0823 ISSN : 0853-0823

Kualitas cahaya dari lampu dapat dinaikan dengan cara menaikan nilai CRI dan menurunkan nilai CCT. Lampu warm white mempunyai CRI diatas 70 dan CCT antara 2550 - 4150 K [1].

II. LANDASAN TEORI

Chromaticity dan Correlated Color Temperature (CCT) Berdasarkan konvensi, radiator benda-hitam (blackbody) digunakan sebagai sumber cahaya rujukan, dianggap mempunyai sifat dapat memberikan warna (color rendering) secara sempurna. Setiap sumber cahaya akan menghasilkan spektrum yang mencirikan warna yang dihasilkan, hal tersebut dinyatakan dalam koordinat (x; y) pada diagram chromaticity. Standarisasi sumber cahaya buatan dan suhu warnanya terdapat pada planckian locus dinyatakan pada titik A, B, C, D65 dan E. Tiktik E merupakan pusat dari diagram chromaticity mempunyai koordinat (0.333 ; 0.333) dengan T = 6000K, Titik D65: (0.3128 ; 0.3292) dengan T = 6500 K sama dengan pencahayaan siang hari cerah (daylight). Sedangkan titik A: (0.4476 ; 0.4074) dengan T = 2856 K sama seperti sumber lampu pijar (incandescent), ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram dan koordinat Chromaticity

Spectral Power Distribution (SPD) dan Color Rendering Index (CRI )

SPD akan menentukan kromatisitas (kualitas warna) dari cahaya. Akan tetapi, sumber cahaya dengan kurva SPD yang berbeda dapat menghasilkan warna yang sama, seperti diperlihatkan pada Gambar 3. CRI Menyatakan ukuran kuantitatif (skala sampai 100) merupakan kemampuan suatu sumber cahaya untuk dapat memberikan warna pada berbagai objek fisik dibandingkan dengan sumber cahaya alami (sumber cahaya rujukan). CRI dari suatu sumber cahaya ditentukan oleh kandungan panjang gelombang (spektrum) dari cahaya yang dihasilkan. Sumber cahaya dengan SPD yang lebar dan kontinu (mencakup semua panjang-gelombang tampak) akan menghasikan CRI yang tinggi, seperti pada lampu pijar (incandescent) dan cahaya matahari saat cerah (daylight). Sumber cahaya rujukan tersebut ditetapkan mempunyai nilai CRI = 100. Lampu neon

mempunyai CRI bervariasi tergantung pada phosphor yang digunakan. Secara khas lampu neon mempunyai CRI pada daerah 60 - 95. Sedangkan PcLED mempunyai CRI pada daerah 55 - 72. Lampu dengan CRI sebesar 80 secara umum telah cukup baik untuk digunakan sebagai sumber penerangan umum untuk lampu baca dan lampu dalam-ruang. CRI dihitung dari spektrum cahaya menggunakan perangkat-lunak berdasarkan technical report 13.3 yang dikeluarkan oleh Commission Internationale de L'Eclairage (CIE) (CIE, 1995). [2].

Gambar 3. SPD untuk beberapa sumber cahaya

III. METODE EKSPERIMEN

Dari data pengukuran awal eksperimen, teridentifikasi bahwa lampu LED komersil berbasis PcLED mempunyai kekurangan pada spektrum daerah panjang-gelombang merah, hal ini mengakibatkan CRI rendah dan CCT terlalu tinggi. Pada penelitian ini dikaji tentang peningkatan kualitas cahaya lampu LED berdasarkan parameter CCT dan CRI dengan cara menambahkan spektrum merah pada lampu tersebut. Sebagai objek penelitian digunakan lampu LED cool white komersil perbasis PcLED, dan sebagai sumber spektrum merah digunakan LED merah.

Gambar 4. Tambahan larik LED merah pada lampu PcLED

Eksperimen diawali dengan menambahkan larik (array) LED merah pada lampu LED, seperti ditunjukkan pada

Gambar 4. Jadi lampu menghasilkan tiga spektrum cahaya:

(3)

ISSN : 0853-0823 ISSN : 0853-0823

merah (berasal dari LED merah). Penambahan LED merah ini diharapkan meningkatakan nilai CRI dan menurunkan nilai CCT dari lampu, sehingga kualitas cahaya lampu meningkat. [3]

Gambar 5. Diagram-alir penelitian yang dilakukan

Pengambilan data spektrum untuk PcLED dan LED merah menggunakan spektrometer Ocean Optic. Kedua data spektrum diplot pada diagram chromaticity dengan bantuan perangkat-lunak Color-Calculator dari Osram. Dari titik koordinat yang diperoleh dapat ditarik garis lurus yang merupakan tempat kedudukan koordinat-koordinat dari gabungan spektrum PcLED dan LED merah. Selanjutnya diambil spektrum untuk berbagai kombinasi tingkatan daya antara PcLED dan LED merah, dimulai dari P100:M40 (daya PcLED 100% dan LED merah 40%) sampai P40:M100 (daya PcLED 40% dan LED merah 100%), sehingga akan diperoleh 25 kombinasi. Data spektrum tersebut diolah sehingga diperoleh 25 nilai CRI dan CCT ditunjukan pada diagram-alir

Gambar 5, dari ke 25 data tersebut akan didapat kombinasi

yang memberikan nilai CRI dan CCT terbaik.

Tiap-tiap spektrum dari kombinasi tersebut akan menghasil-kan koordinat yang berbeda pada diagram chromaticity. Susunan peralatan eksperimen diperlihatkan pada Gambar

6.

Gambar 6. Susunan peralatan eksperimen

Lampu PcLED dan PcLED + LED merah sebagai objek penelitian ditempatkan pada integrating sphere (IS) yang berfungsi sebagai pengumpul berkas cahaya yang dipancar- kan dari sumber. Cahaya yang dihasilkan lampu pada berbagai tingkatan daya diukur spektrumnya menggunakan spektrometer Ocean-Optic. Pengolahan data spektrum dilakukan menggunakan software Color-Calculator dari Osram. [4], [5]

Pengaturan daya pada lampu uji dilakukan secara modulasi lebar pulsa (PWM), sehingga daya yang diterima lampu PcLED dan LED merah sebanding dengan lebar pulsa atau siklus-kerja (duty cycle). Siklus-kerja suatu pulsa dinyatakan oleh persen, semakin lebar pulsa berarti semakin besar daya rata-rata yang diterima untuk waktu (perioda) yang sama. [6].

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Data spektrum dari lampu PcLED pada berbagai tingkat pemberian daya diperlihatkan pada Gambar 7. Untuk pemberian daya 100%, 90%, 70% 50%, 30% dan 10%

spektrum-puncak bergeser dari 462 nm sampai 458.5 nm.

Gambar 7. Spektrum PcLED pada berbagai tingkat daya

Sedangkan spektrum LED merah tidak mengalami pergeseran akibat perubahan daya, spektrum puncak tetap pada 632 nm diperlihatkan pada Gambar 8.

(4)

ISSN : 0853-0823 ISSN : 0853-0823

Gambar 8. Spektrum LED merah pada berbagai tingkat daya

Berdasarkan data awal tersebut, selanjutnya dilakukan eksperimen pengukuran spektrum untuk kombinasi PcLED dengan daya 100% (P100), daya 90% (P90), daya 80% (P80), daya 60% (P60), dan daya 40% (P40) dengan LED merah dengan daya daya 40 sampai 100% (M40, M60, M80, M90 dan M100).

Spektrum untuk PcLED daya 100% dan LED merah dengan variasi daya 40 sampai 100% (P100:M40, P100:M60, P100:M80, P100:M90 dan P100:M100) diperlihatkan pada

Gambar 9. Spektrum untuk PcLED daya 90% dan LED

merah dengan variasi daya 40 sampai 100% (P90:M40, P90:M60, P90:M80, P90:M90 dan P90:M100) diperlihatkan pada Gambar 10. Dari kedua gambar tersebut terlihat penambahan LED merah pada lampu PcLED memberikan spektrum merah dengan puncak 632 nm, secara keseluruahan lebar-pita (bandwidth) dari spektrum lampu bertambah lebar dengan hadirnya spektrum merah kontribusi dari LED merah. Hal tersebut akan merubah sifat lampu yang dinyatakan oleh CRI dan CCT. Dimana CRI menjadi meningkat sedangkan CCT menurun. Sehingga cahaya lampu menjadi lebih hangat (warm light).

Gambar 9. Spektrum PcLED daya 100 % + LED merah

pada berbagai tingkatan daya.

Gambar 10. SpektrumPcLED daya 90% + LED merah pada berbagai tingkatan daya.

Pengolahan data untuk spektrum P100:M40 sampai P100:M100 dan P90:M40 sampai P90:M100 dilakukan menggunakan Color-Calculator untuk menghasilkan CRI, CCT, dan koodinat pada diagram chromaticity, diperlihatkan pada Gambar 11 dan Gambar 12.

Gambar 11. Koordinat chromaticity untuk P100:M40 sampai P100:M100 dan CRI dan CCT yang dihasilkan

Gambar 12. Koordinat chromaticity untuk P90:M40 sampai P90:M100 dan CRI dan CCT yang dihasilkan

(5)

ISSN : 0853-0823 ISSN : 0853-0823

Dari Gambar 11, kelima kombinasi PcLED dan LED merah menghasilkan koordinat yang berbeda digambarkan oleh titik 1 sampai 5. Titik-1 menyatakan P100:M40 dengan CRI: 72 dan CCT: 5535, hasil terbaik ada pada kondisi P100:M100 menghasilkan CRI: 87 dan CCT: 3890. Dari Gambar 12, titik-1 menyatakan P90:M40 menghasilkan CRI: 72 dan CCT: 5532, dan hasil terbaik ada pada kondisi P90:M100 dengan CRI: 88 dan CCT: 3840. Dari seluruh rangkaian eksperimen yang dilakukan ternyata hasil terbaik ada pada P90:M100 yaitu kondisi pada daya PcLED 90% dan LED merah 100%. Hasil dari seluruh rangkaian eksperimen diperlihatkan pada Tabel 1. Kolom paling kiri memberi informasi CRI dan CCT dari lampu

Tabel 1. CRI dan CCT untuk kombinasi PcLED dan LED merah pada berbagai tingkatan daya

LED Putih (PcLED) Daya (%) LED Merah Daya (%) CRI CCT 100 --- CRI: 70 CCT: 5045 --- 40 72 5535 60 76 5225 80 81 4790 90 85 4405 100 87 3890 90 --- CRI: 70 CCT: 6030 --- 40 72 5532 60 76 5202 80 81 4758 90 85 4365 100 88 3840 80 --- CRI: 70 CCT: 5610 --- 40 87 5488 60 87 5084 80 83 4544 90 78 4083 100 73 3499 60 --- CRI: 70 CCT: 5520 --- 40 85 5385 60 87 4807 80 87 4080 90 81 3514 100 74 2890 40 --- CRI: 70 CCT: 5265 --- 40 73 5030 60 79 3955 80 85 2930 90 87 2378 100 78 1926

Dari Tabel 1 Terlihat bahwa penambahan LED merah pada PcLED secara umum akan meningkatkan kualitas cahaya yang dihasilkan ditandai dengan naiknya nilai CRI menjadi lebih besar dari 70. Dari data tersebut, dengan pertimbangan intensitas yang dihasilkan, terdapat dua kondisi terbaik yaitu pada kombinasi P100:M100 (kotak biru) dan kombinasi P90:M100 (kotak merah).

V. KESIMPULAN

Penambahan LED merah pada lampu PcLED akan meningkatkan kualitas cahaya yang dihasilkan, ditandai dengan meningkatnya nilai CRI dan turunnya nilai CCT. Kualitas cahaya terbaik terjadi pada tingkatan daya PcLED 90% dan LED merah 100% (P90:M100) menghasilkan CRI: 88 dan CCT: 3840.

UCAPAN TERIMA KASIH

Terimakasih kepada Lab Elektronika Departemen Teknik Elektro untuk fasilitas penelitian dan kepada Osram Sylvania yang telah memberi hak pakai software ColorCalculator dan kepada Mandiri yang telah membiayai penelitian ini.

PUSTAKA

[1] J. Y Tsao, An OIDA Technology Roadmap,

Optoelectronics Industry Development Association, 2002.

[2] E. F Schubert, Light Emitting Diode, Cambridge

University, 2006.

[3] ____, Methods of Measuring and Specifying Color

Rendering Properties of Light Source, CIE 13.3 1995.

[4] B.M Wibawa et. al, Development and Chracterization

of Integrating Sphere for Photometry and

Radiometry Measurement, AIP Conf Proc 1554, 170.

(2013)

[5] ____, Color Calculator User Guide, Osram Slavinia