5 BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Sejarah Wireless Power Transfer
2.1.1 Wireless power transfer di masa lalu
Pada tahun 1856 di kota Smiljan wilayah Croatia tanggal 10 Juli, lahir seorang ilmuan sekaligus penemu terpenting dalam sejarah bernama Nikola Tesla. Ia menjadi warga negara Amerika Serikat pada tahun 1891 saat bekerja di salah satu perusahaan di negara itu. Semasa hidupnya, Tesla dianggap sebagai seorang perintis dan merupakan salah seorang teknisi terbesar pada akhir abad ke-19 dan ke-20.
Gambar 2.1 Nikola Testa
6 transmisi listrik bolak-balik (Alternating Current), radio, sinar-x, motor AC, distribusi daya polyphase, pengiriman daya nirkabel, dsb. Khusus untuk yang disebutkan terakhir yaitu pengiriman daya nirkabel, dahulu kala tepatnya pada akhir abad ke-19 Nikola Tesla sudah pernah melakukan uji coba pengiriman daya nirkabel ini. Dan pada saat itu, alat hasil penemuannya dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu Tesla Coil. Dari percobaan yang dilakukannya tersebut, alat yang dibuatnya telah berhasil mengirimkan daya listrik sebesar 1.000.000 volt tanpa kabel sejauh 26 mil untuk menyalakan 200 lampu bohlam dan satu motor listrik.
Gambar 2.2 Wardenclyffe Tower atau disebut juga Tesla Tower
7 Kemudian penemuan Tesla dikembangkan oleh ilmuan Jerman Heinrich Hertz pada tahun 1886, dimana ia telah berhasil melakukan percobaan dengan radiasi radio antara dua titik tanpa kabel yang hasilnya, radio memiliki properti gelombang dan menemukan bahwa persamaan elektromagnetik dapat di formulasikan.
Gambar 2.3 Tesla coil
2.1.2 Wireless power transfer di masa kini
8 listrik wireless charging.
Gambar 2.4 Mobil listrik dengan wireless charging
Gambar 2.5 Wiresless charger handphone
2.1.3 Aplikasi Wireless Power pada abad 21
Pada abad 21, sekolompok ilmuwan dari MIT (massachussets institute of technology) melakukan demonstrasi dengan menggunakan strong coupled magnetic resonance percobaan dilakukan dengan sebuah kumparan yang
9 contoh lain aplikasi dari wireless power system tersebut adalah aplikaasi kapsul endeskopi dalam dunia kedokteran, charger handphone, dan mobil listrik dalam dunia otomotif yang sistem pengisian baterai listriknya menggunakan sistem wireless power transfer.
2.1.4 Definisi Pengiriman Daya Listrik Tanpa Kabel
Pengiriman daya listrik tanpa kabel adalah suatu sistem yang memiliki proses dimana energi listrik dapat ditransmisikan dari suatu sumber listrik menuju ke beban listrik tanpa melalui suatu kabel. Transmisi daya listrik tanpa kabel ini berguna jika kita membutuhkan suatu energi listrik, akan tetapi tidak ada kabel di sekitar tempat kita berada. Alat pengirim daya listrik tanpa kabel memiliki banyak kegunaan dalam kehidupan sehari-hari, yang terbagi dalam dua kategori, yaitu :
1. Memberikan sumber listrik tanpa kabel secara langsung, yaitu ketika peralatan elektronik tanpa baterai membutuhkan daya listrik, akan tetapi tidak ada kabel disekitarnya, maka alat pengirim daya listrik tanpa kabel akan berfungsi selama masih berada dalam area jangkauan. (Contoh: televisi, lampu.)
10 dalam jarak yang sangat dekat.
Dalam suatu trafo, arus listrik mengalir ke kumparan primer dan menginduksi kumparan sekunder, kedua kumparan ini tidak bersentuhan, akan tetapi berada dalam jarak yang sangat dekat. Tingkat efisiensi trafo akan sangat berkurang jika kedua kumparan ini dijauhkan. Selain trafo, sikat gigi elektrik juga menggunakan prinsip induksi yang sama dengan trafo, sikat gigi elektrik tersebut akan mengisi ulang baterai jika ditempatkan pada tempatnya. Tingkat efisiensi dari suatu induksi elektromagnetik dapat ditingkatkan dengan menggunakan rangkaian resonator. Cara ini biasa disebut juga induksi resonansi, yang banyak digunakan alat –alat pada bidang kesehatan. Dengan menggunakan prinsip ini, telah berhasil dibangun suatu alat yang dapat mentransmisikan daya listrik tanpa kabel, dengan jarak yang jauh berbeda dengan induksi tradisional.
11 ini sangat tidak efisien jika berfungsi untuk mengirimkan daya listrik dengan jumlah besar. Untuk menambah jumlah energi yang dapat ditangkap oleh rangkaian penerima, maka pada sisi rangkaian pemancar dapat diberikan daya yang lebih tinggi pula, akan tetapi hal ini tidak aman dan bahkan dapat mengganggu alat lain yang juga menggunakan frekuensi radio.
Gambar 2.6 Konsep “solar space power”
12 lihat pada gambar diatas. Dalam bab ini penulis akan membahas tentang komponen- komponen yang di gunakan dalam seluruh unit alat ini. Agar pembahasan tidak melebar dan menyimpang dari topic utama laporan ini, maka setiap komponen hanya di bahas sesuai fungsi nya pada masing- masing unit nya
2.2Mikrokontroler ATMega8
AVR ATmega8 adalah mikrokontroler CMOS 8-bit berarsitektur AVR RISC yang memiliki 8K byte in-System Programmable Flash. Mikrokontroler dengan konsumsi daya rendah ini mampu mengeksekusi instruksi dengan kecepatan maksimum 16MIPS pada frekuensi 16MHz. Jika dibandingkan dengan ATmega8 perbedaannya hanya terletak pada besarnya tegangan yang diperlukan untuk bekerja. Untuk ATmega8 tipe L, mikrokontroler ini dapat bekerja dengan tegangan antara 2,7 - 5,5 V sedangkan untuk ATmega8 hanya dapat bekerja pada tegangan antara 4,5 – 5,5 V.
Mikrokontroler merupakan sebuah single chip yang didalamnya telah dilengkapi dengan CPU (Central Processing Unit), RAM (Random Access Memori), ROM (Read Only Memori), Input dan Output, Timer/Counter, Serial
com port secara spesifik digunakan untuk aplikasi – aplikasi kontrol dan aplikasi serbaguna. Perangkat ini sering digunakan untuk kebutuhan kontrol tertentu seperti pada sebuah penggerak motor.Read Only Memori (ROM) yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya.
Memori penyimpanan program dinamakan sebagai memori program. Random Access Memori (RAM) isinya akan langsung hilang ketika IC kehilangan
13 yang dipakai untuk menyimpan data ini disebut sebagai memori data. Mikrokontroler biasanya dilengkapi dengan UART (Universal Asychronous Receiver Transmitter) yaitu port serial komunikasi serial asinkron, USART
(Universal Syncrhronous and Asyncrhronous Serial Receiver and Transmitter) yaitu port yang digunakan untuk komunikasi serial sinkron dan asinkron yang kecepatannya 16 kali lebih cepat dari UART, SPI (Serial Port Interface), SCI (Serial Communication Interface), Bus RC (Intergrated circuitBus) merupakan 2 jalur yang terdapat 8 bit, CAN (Control Area Network) merupakan standart pengkabelan SAE (Society of Automatic Engineers). Mikrokontroler saat ini sudah dikenal dan digunakan secara luas pada dunia industri. Banyak sekali penelitian atau proyek mahasiswa yang menggunakan berbagai versi mikrokontroler yang dapat dibeli dengan harga yang relative murah.
Mikrokontroler saat ini merupakan chip utama pada hampir setiap peralatan elektronika canggih. Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit (16 bit word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock, berbeda dengan instruksi CS51 yang membutuhkan siklus 12 clock. AVR berteknologi RISC (Reduce Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS51berteknologi CISC (Complex Instruction Set
Computing). Secara umum, AVR dikelompokkan menjadi beberapa kelas, yaitu
keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx.
2.2.1 Konfigurasi Pin ATMega 8
14 Gambar 2.7 Konfigurasi Pin ATMega8
1. VCC
Merupakan supply tegangan untuk digital 2. GND
Merupakan ground untuk smua komponen yang membutuhkan grounding 3. Port B
15 4. Port C
Port C merupakan sebuah 7-bit bidirectional I/O yang di dalam masing -masing pin terdapat pull-up resistor. Jumlah pin-nya hanya 7 buah mulai dari C.0 sampai dengan pin C.6. Sebagai keluaran / output, port C memiliki karakteristik yang sama dalam hal kemampuan menyarap arus (sink) ataupun mengeluarkan arus (source).
5. Reset / PC6
Jika RSTDISBL Fuse diprogram, maka PC6 akan berfungsi sebagai pin I/O. Untuk diperhatikan juga bahwa pin ini memiliki karakteristik yang berbeda dengan pin – pin yang tedapat pada port C. Namun jika RSTDISBL Fuse tidak deprogram, maka pin ini akan berfungsi sebagai input reset. Dan jika level tegangan yang masuk ke pin ini rendah dan pulsa yang ada lebih pendek dari pulsa minimum, makan akan menghasilkan suatu kondisi reset meskipun clock-nya tidak berkerja.
6. Port D
Port D merupakan 8-bit bi-directional I/O dengan internal pull-up resistor. Fungsi dari port ini sama dengan port – port yang lain. Hanya saja pada port ini tidak terdapat kegunaan-kegunaan yang lain. Pada port ini hanya berfungsi sebagai masukan dan keluaran saja atau biasa disebut dengan I/O.
7. AVCC
16 menghubungkan AVCC adalah melewati low-pass filter setelah itu dihubungkan dengan VCC.
8. AREF
Merupakan pin referensi analog jika menggunakan ADC. Pada AVR status Register mengandung beberapa informasi mengenai hasil dari kebanyakan hasil eksekusi intruksi aritmatik. Informasi ini dapat digunakan untuk altering arus program sebagai kegunaan untuk meningkatkan performa pengoperasian. Perlu diketahui bahwa register ini di-update setelah semua operasi ALU ( Arithmetic Logic Unit ). Hal tersebut seperti yang telah tertulis dalam datasheet
khususnya pada bagian Intruction Set Reference.
Dalam hal ini untuk beberapa kasus dapat membuang kebutuhan penggunaan instruksi perbandingan yang telah didedikasikan serta dapat menghasilkan peningkatan dalam hal kecepatan dan kode yang lebih sederhana dan singkat. Register ini tidak secara otomatis tersimpan ketika memasuki sebuah rutin interupsi dan juga ketika menjalankan sebuah perintah setelah kembali dari interupsi. Namun hal iini harus dilakukan melalui software.
9. Bit 7 (1)
17 dapat di-set dan di-reset melalui aplikasi dengan instruksi SEI dan CLI.
10. Bit 6 (T)
Merupakan bit Copy Storage. Instruksi bit Copy Instruction BLD ( Bit LoaD ) dan BST ( Bit Store ) menggunakan bit ini sebagai asal atau tujuan untuk bit yang telah dioperasikan. Sebuah bit dari sebuah register dan register file dapat disalin ke dalam bit ini dengan menggunakan intruksi BST, dan sebuah bit di dalam bit ini dapat disalin ke dalam sebuah bit di register pada Register File dengan menggunakan perintah BLD.
11. Bit 5 (H)
Merupakan bit Half Carry Flag. Bit ini menandakan sebuah Half Carry dalam beberapa operasi aritmatika. Bit ini berfungsi dalam aritmatik BCD.
12. Bit 4 (S)
Merupakan Sign bit. Bit ini selalu merupakan sebuah eksklusif di antara Negative Flag (N) dan Two’s Complement Overflow Flag (V).
13. Bit 3 (V)
Merupakan bit Two’s Complement Overflow Flag. Bit ini menyediakan fungsi aritmatika dua komplemen.
14. Bit 2 (N)
Merupakan bit Negative Flag. Bit ini menyediakan sebuah hasil negative di dalam sebuah fugnsi logika atau aritmatika.
15. Bit 1 (Z)
Merupakan bit Zero Flag. Bit ini mengindikasikan sebuah hasil nol “ 0 ” dalam sebuah fungsi aritmatika atau logika.
18 Merupakan bit Carry Flag. Bit ini mengindikasikan sebuah Carry atau sisa
dalam sebuah fungsi aritmatika atau logika.
2.2.2 Arsitektur Mikrocontroller ATMega 8
Gambar 2.8 Arsitektur Microkontroller ATMega 8 2.2.3 Memori AVR Atmega
Data Memory
$00032 General $0000 $000 Purpose
Registers $001F
Flash 64 I/O $0020 EEPROM
Registers $005F
E END
Additional $0060 I/O
registers
Boot
Section Internal
19 Gambar 2.9 Peta Memori Atmega
Memori atmega terbagi menjadi tiga yaitu : 1. Memori Flash
Memori flash adalah memori ROM tempat kode-kode program berada. Kata flash menunjukan jenis ROM yng dapat ditulis dan dihapus secara elektrik. Memori flash terbagi menjadi dua bagian yaitu bagian aplikasi dan bagian boot. Bagian aplikasi adalah bagian kode-kode program apikasi berada. Bagian boot adalah bagian yang digunakan khusus untuk booting awal yang dapat diprogram untuk menulis bagian aplikasi tanpa melalui programmer/downloader, misalnya melalui USART.
2. Memori Data
Memori data adalah memori RAM yang digunakan untuk keperluan program. Memori data terbagi menjadi empat bagian yaitu 32 GPR (General Purphose Register) adalah register khusus yang bertugas untuk membantu eksekusi program
oleh ALU. (Arithmatich Logic Unit), dalam instruksi assembler setiap instruksi harus melibatkan GPR. Dalam bahasa C biasanya digunakan untuk variabel global atau nilai balik fungsi dan nilai-nilai yang dapat memperingan kerja ALU. Dalam istilah processor komputer sahari-hari GPR dikenal sebagai “chace memory”. I/O register dan Aditional I/O register adalah register yang difungsikan khusus untuk mengendalikan berbagai pheripheral dalam mikrokontroler seperti pin port, timer/counter, usart danm lain-lain. Register ini dalam keluarga mikrokontrol
MCS51 dikenal sebagi SFR(Special Function Register). 3. EEPROM
20 digunakan untuk keperluan penyimpanan data yang tahan terhadap gangguan catu daya.
2.2.4 Fitur Microkontroller ATMega8
A. Saluran I/O sebanyak 23 buah terbagi menjadi 3 port.
B. ADC sebanyak 6 saluran dengan 4 saluran 10 bit dan 2 saluran 8 bit. C. Tiga buah timer counter, dua diantaranya memiliki fasilitas pembanding. D. CPU dengan 32 buah register
E. Watchdog timer dan oscillator internal. F. SRAM sebesar 1K byte.
G. Memori flash sebesar 8K Bytes system Self-programable Flash H. Unit interupsi internal dan eksternal.
J. EEPROM sebesar 512 byte.
K. Port USART ( Universal Syncronous and Asycronous Serial Receiver dan Transmitter ) untuk komunikasi serial.
2.3 Kumparan Pemancar dan Kumparan penerima
21 atau kabel listrik. Bahkan, baterai perangkat mobile seperti laptop, ponsel, atau kamera digital terisi secara otomatis, jadi begitu Anda memasuki rumah, tentu tanpa harus mencolokkan kabel.
Gambar 2.10 Wireless Electricity
Prinsip dasar bagaimana energi listrik dapat di transfer tanpa kabel adalah berhubungan dengan fenomena resonansi. Resonansi merupakan proses bergetarnya suatu benda dikarenakan ada benda lain yang bergetar, hal ini terjadi dikarenakan suatu benda bergetar pada frekwensi yang sama dengan frekwensi benda yang terpengaruhi. Sebuah transmitter WREL memancarkan medan magnet dengan bantuan coil yang dipancarkan dengan frekuensi yang sama dengan receiver WREL. 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.
22 keamanan terhadap radiasi masih perlu dipertanyakan. Karena medan magnet yang kuat selalu membawa radiasi elektromagnetis. Maka saat ini para peneliti berusaha untuk menggunakan frekuensi yang menghasilkan medan magnet yang kuat dengan beban electromagnetis kecil dan terbukti saat produk pertama diluncurkan ke pasar, teknologi WREL ini benar-benar aman terhadap manusia. Bayangkan pemancar WREL dapat dipasang dalam dinding rumah untuk memasok listrik ke semua perangkat elektronik yang berada dalam magical zone ( Area jangkauan ). Bahkan meja tulis pun dapat berguna untuk memasok maupun mengisi baterai semua perangkat elektronik di sekitarnya. Untuk kedepannya tidak ada lagi kabel, adaptor, dan steker Begitu teknologi WREL sudah matang dan aman, aplikasinya bakal meluas dengan cepat, misalnya untuk aplikasi medis, seperti untuk mengoperasikan alat pengatur detak jantung atau mengimplementasikan organ-organ buatan. Pemancaran listrik secara nirkabel bakal menjadi faktor penting, bukan saja antarperangkat, melainkan juga di dalam perangkat-perangkat canggih itu sendiri.Sama seperti melihat Internet melalui WLAN (wifi,hotspot) saat ini.
2.3.1 Transmiter (Pemancar/Pengirim)
23 pengunaan daya yang besar, serta dengan menggunakan rangkaian ini tidak membutuhkan rangkaian penguat Radio Frequency ( RF ).
Berbeda halnya bila mengunakan osilator yang lain dimana osilator yang pada dasarnya memiliki daya yang kecil harus dihubungkan dengan rangkaian penguat lagi sehingga sistem penghantaran dapat terjadi. Namun terlepas dari itu semua masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Bagian LC merupakan bagian terpenting dari royer oscillator. Perubahan yang dilakukan di LC membuat frekuensi berubah, hal ini yang menjadi percobaan. Sedangkan untuk design LOOP yang merupakan sebuah induktor namun tidak berupa lilitan tapi berupa selubung tembaga yang dibengkokan sedemikian rupa. Sebenarnya pengunaan kawat pejal juga dapat dipergunakan namun jika dibuat dengan diameter yang sama dan nilai induktasinya sama, maka menghasilkan diameter yang cukup kecil. Namun jika menggunakan kawat pejal tersebut akan terjadi panas yang berlebih dibandungkan dengan menggunakan selubung tembaga. Loop tembaga berselubung menjadi pilihan yang baik untuk merancang loop pada pemancar (transmitter) dan penerima.
2.3.2 Receiver (Penerima)
24 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 dalam hal jarak maupun tegangan keluaran yang dihasilkan ke beban. Untuk 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.
2.4 Prinsip Induksi Elektromagnetik
25 listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.
2.5 Prinsip Pengiriman Energi Melalui Induksi Resonansi Magnet 2.5. 1 Resonansi
Fenomena resonansi sudah secara luas berada di alam ini. Perbedaan jenis resonansi juga berisikan energi yang berbeda pula. Suara dari garpu tala dihasilkan dari suatu resonansi, begitu pula dengan suatu gempa bumi dihasilkan dari suatu resonansi, akan tetapi energi dari gempa bumi jauh lebih besar dari pada suara garpu tala.
26 medan bunyi, ini juga dapat dimungkinkan pada medan elektromagnetik.
2.5.2 Resonansi Elektromagnetik
Resonansi elektromagnetik ada secara luas di dalam system elektromagnetik. Medan elektromagnetik itu sendiri merupakan bidang energi yang dapat memberikan energi untuk digunakan dalam proses terjadinya aliran listrik. Mengingat bahaya bagi masyarakat dan organisme lain di dalam medan listrik, medan magnet yang aman dan lebih sesuai untuk digunakan sebagai media pengiriman energi dalam perpindahan energi resonansi secara magnetis. Radiasi gelombang elektromanetik itu sendiri mengandung energi. Tidak peduli apakah ada penerima atau tidak, energi dari gelombang elektromagnetik itu secara terus menerus dikonsumsi. Jika kita dapat membuat suatu medan magnetik non-radiasi dengan frekuensi resonansi tertentu, saat penghasil resonansi seperti rangkaian osilasi LC, dengan frekuensi resonansi yang sama di dalamnya, maka dapat dihasilkan suatu resonansi elektromagnetik, kumparan induktansi akan terus mengumpulkan energi, tegangan akan naik, dan energi yang diterima dapat disalurkan ke beban setelah dikonversi dengan rangkaian tambahan.
27 Secara umum, sistem elektromagnetik dengan frekuensi resonansi sama, memiliki kelemahan dalam jarak tertentu. Dua sistem dengan frekuensi resonansi yang sama akan menghasilkan resonansi magnetik yang kuat dan membentuk sebuah sistem resonansi magnetik. Jika ada lebih dari dua penghasil resonansi dalam rentang yang masih efektif, mereka juga dapat bergabung dengan sistem resonansi magnetik ini. Satu resonator dapat dihubungkan dengan pasokan listrik terus-menerus untuk berperan sebagai sumber energi dan yang lainnya mengkonsumsi energi, sehingga sistem pengiriman energi ini dapat terwujud. Dengan kata lain, sistem ini dapat mengirimkan energi dari satu tempat ke tempat lain melalui medan magnet yang tidak terlihat (wireless), bukan dengan cara seperti biasa yang melalui kabel listrik yang dapat dilihat.
2.5.3 Rangkaian LC
Rangkaian LC adalah suatu rangkaian resonansi yang terdiri dari induktor (L) dan kapasitor (C). Rangkaian LC biasa digunakan untuk menghasilkan sumber arus bolak balik atau sebagai pembangkit sinyal.
Gambar 2.12 Rangkaian LC
2.5.4 Prinsip Kerja Rangkaian LC
28 berosilasi adalah dengan menggunakan kapasitor dan induktornya. Kapasitor menyimpan energi di dalam medan listrik antara kedua pelatnya, berdasarkan besarnya tegangan diantara kedua pelat tersebut, sedangkan induktor menyimpan energi di dalam medan magnetnya, berdasarkan besarnya arus yang melalui induktor tersebut.
2.6 Struktur Pengiriman Daya Listrik Tanpa Kabel
Pada gambar dibawah, ditunjukkan sebuah skema diagram sederhana dari suatu sistem pengiriman daya listrik tanpa kabel dengan menggunakan prinsip induksi resonansi magnet. Blok disebelah kiri (ditandai dengan garis putus-putus) merupakan suatu rangkaian pemancar, sedangkan blok disebelah kanan adalah merupakan rangkaian penerima dari sistem tersebut.
29 dan Ct berfungsi untuk menghasilkan resonansi dari medan magnetik yang dihasilkan oleh rangkaian pemancar untuk menerima daya listrik. Pada rangkaian penerima perlu ditekankan bahwa rangkaian LC tidak harus sama untuk dapat mengirimkan daya listrik.
Semakin jauh jarak pengiriman daya listrik dari rangkaian pemancar ke rangkaian penerima, maka semakin kecil juga daya listrik yang dapat diterima oleh rangkaian penerima. Proses pengiriman daya listrik tanpa kabel ini masih dapat mengirimkan daya listrik meskipun dihalangi oleh berbagai benda non- metal, akan tetapi jika dihalangi oleh metal, maka daya listrik tidak dapat diterima oleh rangkaian penerima.
2.7 Sistem Secara Umum Transfer Energi tanpa kabel
Perancangan sistem penghantar daya tanpa kabel yang dibuat oleh Muhamad Atar, atau yang secara umum lebih dikenal dengan sebutan wireless power berupa rangkaian pengirim (transmitter) dan rangkaian penerima (receiver). Berikut skematik dari pembuatan rancangan wireless power yang dibuat oleh Muhamad Atar bisa kita lihat pada gambar dibawah.
Voltage
30 Rangkaian transmitter atau rangkaian penghansil sinyal dijelaskan oleh Muhamad Atar dengan mengirimkan sinyal dengan frekuensi 515 KHz melalui antenna. Frekuensi 515 KHz merupakan frekuensi resonance yang mendekati perhitungan resonance frequency LC Pararel = 513930 Hz agar didapat bentuk sinyal sinusoidal yang stabil.Sinyal yang dikirim pada dasarnya berupa induksi medan elektromagnetik yang akan membangkitkakn arus pada antenna di receiver. Sinyal 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 rangakaian LC yang frekuensi resonansinya berada di 515 KHz. Sinyal sinusoidal yang ditangkap tidak bisa langsung diaplikasikan ke beban yang menggunakan Arus bolak-balik (AC) karena frekuensinya yang berada diatas frekuensi peralatan yang banyak beredar dipasaran atau sebesar 50Hz karena dapat menyebabkan panas berlebih dan dapat merusak komponen. Oleh karena itu pada receiver dibuat rangkaian bridge diode untuk merubah dari arus AC menjadi arus DC untuk kemudian dimanfaatkan pada beban.
Perancangan sistem penghantar daya tanpa kabel oleh Ichsan Jotaro Kartasasmita yaitu dengan alat pengatur frekuensi untuk pengiriman daya nirkabel. Skematik tahap-tahap proses perancangannya dapat kita lihat pada gambar berikut :
Sistem Umum
Metode pengukuran Perancangan Konsep Perancangan
31 Pada dasarnya, rancang bangun yang dijelaskan oleh penulis ini, merupakan pengembangan dari rancangan alat wireless power transfer yang sebelumnya. Sebagai pengingat, pengertian dari wireless power transmission secara umum ialah pengiriman daya nirkabel dari suatu alat ke alat lainnya dengan jarak tertentu. Jika pada rancangan sebelumnya hanya dibutuhkan rangkaian pemancar (transmitter) dan rangkaian penerima (receiver), tetapi kali ini terdapat beberapa tambahan device guna mendukung kinerja alat tersebut saat sedang aktif bekerja. Seluruh device yang digunakan dalam rancang bangun alat ini terdiri dari modul keypad, LCD, mikrokontroller, Modul frekuensi eksternal, rangkaian pemancar (transmitter), dan terakhir rangkaian penerima (receiver).
RF Amplifier
Beban
Rang Power
Rangkaian Pemancar
Rangkaian Penerima
Gambar 2.16 Diagram dasar
32 device mikrokontroller & modul frekuensi eksternal tidak dibahas lebih jauh. Kemudian rangkaian pemancar terdiri atas rangkaian power dan rangkaian RF amplifier. Rangkaian penerima sendiri merupakan rangkaian yang dapat beresonansi dengan pemancar sehingga mempunyai frekuensi yang sama & dipengaruhi faktor komponen LC. Gambar 2.16 di atas merupakan diagram plant dasar secara garis besar.
2.8 Perancangan Transmitter dan Perancangan Receiver 2.8.1 Perancangan Transmitter
Konsep perancangan pada wireless power transfer yang dibuat Muhamad Atar dengan membuat beberapa perancangan transmitter dan perancangan receiver. Pada rangkaian transmitter, dia menjelaskan pada sistem wireless power merupakan inti dari sistem wireless power, karena fungsinya untuk membangkitkan sinyal atau medan elektromagnetik yang menjadi media penghasil energy atau arus pada receiver. Dalam aplikasinya rangkaian transmitter bekerja menggunakan resonansi elektromagnetik yang dihasilkan dari rangkaian oscillator.
DC SOURCE V.COMP &
OSC CIRCUIT
LC CIRCUIT (ANTENNA)
Gambar 2.17 Diagram Blok transmitter
33 oscillator pada Transmitter ini sebenarnya dikontrol oleh voltage comparator untuk mengontrol kerja mosfet yang secara tidak langsung sebenarnya mangatur besaran frequensi yang akan dikeluarkan. Berbeda dengan rancangan sebelumnya dimana oscillatornya menggunakan DDS Microntroller untuk mengatur frekuensi osilasi dan menggunakan frekuensi resonance diatas 1 MHz. Pada rangkaian ini penulis membuat rangkaian pararel LC dengan Frekuensi resonance sebesar 515 Khz. Maka dengan itu frekuensi output yang dikeluarkan voltage comparator juga harus disetting sebesar 515 KHz. Besar kecilnya frekuensi output pada voltage comparator dapat diatur dengan merubah nilai tahanan/ capacitor yang dipasang seri pada input inverting IC Voltage comparator. Untuk menaikkan nilai frekuensi maka nilai tahanan harus dikecilkan dan untuk mempebesar maka dilakukan sebaliknya.
Gambar 2.18 Blok diagram Comparator Oscillator
34 berdasarkan pengalaman penelitian wireless power sebelumnya tipe selubung tembaga menghasilkan lebih sedikit panas dibanding dengan tipe tembaga lilitan. Konsep perancangan alat yang dibuat oleh Ichsan Jotaro Kartasasmita mengacu pada perancangan transmitter, perancangan receiver, perancangan sistem gabungan. Untuk perancangan transmitter, penulis menjelaskan bahwa peran dari rangkaian transmitter cukup penting karena tanpa adanya rangkaian ini transmisi/pengiriman energi listrik nirkabel mustahil dilakukan. Disamping itu, rangkaian ini membutuhkan konfigurasi yang tidak umum karena berkaitan dengan modul frekuensi eksternal.
+
V1 Z1
L1
C1
Gambar 2.19 Rangkaian transmitter
35 pengirim tersebut memancarkan tegangan bolak-balik (AC & sebuah nilai frekuensi yang tetap kepada penerima). Tetapi nilai frekuensi yang dikirimkan bisa berubah-ubah tergantung kombinasi komponen LC yang dipakai.
2.8.2 Perancangan Receiver
Perancangan receiver yang dibuat oleh Muhamad Atar yaitu dengan perancangan receiver (penerima) gelombang elektromagnetik. Pada dasarnya perancangan receiver gelombang elektromagnetik yang dibuat penulis ini masih sama dengan perancangan receiver pada rancangan receiver wireless power transfer generasi sebelumnya. Rangkaian penerima hanya terdiri dari rangkaian LC yang bertugas menangkap induksi elektromagnetik yang dikeluarkan transmitter dengan semaksimal mungkin dan merubahnya menjadi arus DC. Bisa kita lihat dari skematik dibawah.
BRIDGE DIODA / VOLT
REG
BEBAN DC LC
CIRCUIT (ANTENNA)
Gambar 2.20 Blok diagram receiver
36 dihasilkan dari supply listrik PLN (perusahaan Listrik Negara), yaitu sebesar 50 Hz.
Gambar 2.21 Rangkaian receiver
Perancangan rangkaian penerima (receiver) yang dibuat oleh Ichsan Jotaro Kartasasmita hanya digunakan sebagai indikator dalam pengukurannya, dia mencoba mengkupas sedikit tentang mekanisme kerja dari perancangan receiver ini. Berikut rangkaian receiver dibawah bisa dilihat.
Gambar 2.22 Rangkaian Receiver
37 Namun jika frekuensi sudah mencapai nilai yang seharusnya, maka akan langsung terlihat pada beban bahwa rangkaian penerima bekerja dengan baik dan dalam hal ini faktor komponen LC mempengaruhi.
Gambar 2.23 Sketsa Receiver
38 Dalam hal ini faktor komponen LC ikut mempengaruhi. Selain itu, tujuan dari tuning/tracking alat pengatur frekuensi ini adalah untuk meningkatkan penghematan daya dari sisi jarak, karena dengan tuning/tracking frekuensi inikita dapat mengefektifkan kemampuan alat tanpa harus memindahkan rangkaian receiver untuk mendapatkan daya yang optimal. Jika pada rangkaian wireless power transfer (WPT) sebelumnya untuk mendapatkan daya yang optimal jarak antara rangkaian pemancar dan rangkaian penerima harus berdekatan, namun kini jarak sudah bisa dibuat tetap dan yang perlu diubah-ubah hanya nilai frekuensinya saja. Karena besarnya nilai frekuensi mempengaruhi jarak, semakin besar nilai frekuensi maka transfer energi yang dilakukan dapat semakin jauh dan juga sebaliknya. Gambar di bawah menunjukkan bahwa frekuensi yang digunakan dalam percobaan ini jauh dari radius berbahaya (WPC Qi).
Gambar 2.24 Diagram spektrum non ionisasi & ionisasi
39 maksimal hanya mencapai 10MHz kali ini. Kemudian dari modul keypad, nilai frekuensi yang sudah diupdate diteruskan kepada mikrokontroller. Disana hasil input diolah dan diproses untuk diteruskan kepada LCD dan modul frekuensi eksternal, dimana LCD akan memperlihatkan nilai frekuensi yang baru dimasukkan dan yang sudah diupdate. Lalu setelah modul frekuensi ektsernal menerima nilai frekuensi dan perintah dari mikrokontroller, maka frekuensi yang telah diupdate tersebut akan dialirkan menuju rangkaian transmitter berupa gelombang. Berikut ini adalah plant keseluruhan dari alat pengatur frekuensi:
Mikrokontroller
Gambar 2.26 Diagram blok alat pengatur frekuensi
40 untuk transfer daya nirkabel hanya diperlukan rangkaian transmitter dan rangkaian receiver saja. Namun dari hasil percobaan, alat yang sudah dirancang kali ini bekerja dengan sangat baik.
2.9 Pengujian Data Transfer Energi tanpa kabel
Proses Percobaan dan pengambilan data yang dikerjakan oleh Muhamad Atar bertujuan untuk membuat sebuah transmitter yang paling optimum. Pada percobaan-percobaan yang dilakukannya, pergantian nilai- nilai komponen dilakukan untuk mendapatkan hasil yang paling memuaskan. Tahapan-tahapan pengujian yang dilakukan pada rangkaian transmitter meliputi proses pencarian frekuensi resonansi yang paling maksimum, pengambilan data Besarnya arus yang diterima receiver berdasarkan jarak dan pengambilan data besarnya tegangan yang diterima receiver berdasarkan jarak Pengambilan data besarnya kenaikan suhu pada mosfet berdasarkan waktu (mosfet merupakan komponen yang paling aktif dan cenderung panas dalam rangkaian) .
41
Gambar 2.27 Diagram pengukuran alat pengatur frekuensi
Prosedur pengukuran yang dilakukan pertama-tama adalah pastikan bahwa mikrokontroller sudah memberi perintah kepada modul frekuensi ektsternal sehingga frekuensi yang diinginkan sudah siap dikirimkan pada rangkaian transmitter. Pengecekan modul frekuensi eksternal dapat dilakukan menggunakan osiloskop digital dengan menghubungkan probe osiloskop secara parallel. Jika
sudah sesuai
