PERANCANGAN SISTEM PEMANEN ENERGI BIOMEKANIKA DARI PERGERAKAN TUBUH MANUSIA SAAT BERJALAN DAN BERLARI
oleh
Grace Inneke Purwanto NIM: 612010019
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
i INTISARI
Manusia menghabiskan sebagian energi yang dihasilkan dari metabolisme tubuh melalui pergerakan kaki saat berjalan yang dapat menghasilkan energi jika dipanen.
Estimasi banyaknya produksi daya dari perubahan kaki saat berjalan adalah 67 W. Tujuan skripsi ini adalah merancang alat pemanen energi dari pergerakan kaki saat berjalan dan berlari.
Secara garis besar sistem ini mengubah energi dari biomekanika pergerakan kaki manusia saat berjalan dan berlari oleh tranduser piezoelektrik. Tegangan keluaran tranduser akan disearahkan dengan penyearah jembatan, diproses oleh IC pemanen energi yaitu IC LTC 3588-1 dan disimpan dalam baterai kering yang dapat diisi ulang. Sumber energi didapatkan dari dua modul yaitu Modul Lutut dan Modul Bawah Kaki. Modul Pemanen sebagai jembatan antara sumber energi dengan Modul Penyimpan.
Pengujian Modul Lutut dengan beban 100 kΩ didapatkan hasil tegangan 7,2 Vpp, arus 6 mA dan daya 0,18 µW dengan beban 100 Ω . Pengujian Modul Bawah Kaki dengan beban 100kΩ didapatkan hasil tegangan 14,6 Vpp, arus 7 mA dan daya 0,32 µW dengan beban 100 Ω. Pengujian pengisian muatan dari Modul Gabungan ke kapasitor Modul Pemanen didapatkan energi 5 × 10-6 J. Energi keluaran LTC 3588-1 sebesar 1,22 × 10-4 J dengan efisiensi sebesar 24,334%. Pengujian terhadap Modul Gabungan didapatkan hasil tegangan 31,2 Vpp dengan arus 15,7µA. Pengujian keseluruhan terhadap 20 sampel orang didapatkan hasil daya 12,8 µW dengan beban 1 MΩ.
ii
ABSTRACT
Humans spend most of the energy generated from the metabolism of the body
through the movement of the foot when walking, which can produce energy if it is harvested. Estimate the amount of production power of change legs when walking is 67 W. The purpose of this paper is to design a tool harvesting energy from the movement of the foot when walking and running.
Broadly speaking, this system converts energy from the movement of the human foot biomechanics while walking and running by the piezoelectric transducer. Transducer output voltage will be rectified by a bridge rectifier, processed by energy harvesting IC is IC LTC 3588-1 and stored in a dry battery which can be recharged. Energy source obtained from two modules: Module Knee and Lower Leg. Harvesters’ module as a bridge between the energy sources with the Depositary module.
Testing Modules Knee with 100 kΩ load voltage of 7.2 Vpp is obtained, the current 6mA and a power of 0.18 μW with a load of 100 Ω. Testing Module Lower Leg with 100 kΩ load showed 14.6 Vpp voltage, current 7mA and a power of 0.32 μW with a load of 100 Ω. Testing the charging of the capacitor module to module combined Harvesters energy gained 5 x 10-6 J. LTC 3588-1 energy output amounted to 1.22 x 10-4 J with an efficiency of 24,334%. Testing of Joint Module showed 31.2 voltages Vpp with 15,7μA flow. Testing of the whole of the 20 samples showed a power of 12.8 μW with a load of 1 MΩ.
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Allah Bapa di Surga, Putranya Yesus Kristus, dan Roh Kudus atas segala hikmah, karunia, dan penyertaan yang diberikan sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. Segala yang telah penulis capai tidak terlepas dari bantuan, dorongan semangat, doa dan dukungan dari berbagai pihak. Maka, perkenankanlah penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: Bing Hwa) atas dukungan material maupun immaterial dan dukungan doa. 3. Kakak- Kakakku tercinta, Messach Iman Agustinus Purwanto , Evi
Rahmawati , Susi Herawati. Terima kasih untuk dukungan dan doa-doanya. 4. Kekasih dan Sahabat hidup terbaik, Gregorius Tri Handoko atas doa,
bantuan dan dukungannya.
5. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK, Mbak Rista, Mbak Yola, Mbak Ragil, Pak Bambang, Mas Hari, Mas Kris.
6. Sahabat sahabat saya , Ci Tata, Ola , Oliv, Riska , Mungil , Iyuth, Cia , Kelli, Ci Lilik, Maybe, teman teman Kos Sion 2010 - 2013 , dan teman teman Kos Dipo 69 2013 -2016 yang selalu mendukung dan memotivasi dalam doa , bantuan dan dukungan selama perkuliahan dan pembuatan skripsi ini.
iv
Wang “ “Adit” “Jauh” dan teman teman 2010 yang lainnya yang selama ini merasakan perkuliahan dalam suka dan duka bersama.
8. Sahabat Tangerang , teh Sasha, Sisil, Mbak Kusum, Friska Panggabean ,Irin , Ravita, Asri, Ika ,Uni Puti, Nude, Nta, Phia dan teman teman lainnya yang selalu mendukung untuk cepat menyelesaikan skripsi ini.
9. Teman teman R2C “ Bayu 2010 “ , “Jati 2011”, “ Ivan 2011”, “Koh Yonas 2009” , “ Bani 2011”, “ Pakde 2009” , “Gigih 2009“ ,yang telah memberikan kesempatan untuk bergabung bersama tim berkaki dan memberikan pengalaman berharga. “My Team is My Blood”.
10.Para penghuni Lab XT selama penulis mengerjakan skripsi, Mas Deka, Mas Astu, Kak Nisa, Ci Vinlux , Jamet , Kak Wikan ,Kak Annel, Koh Sam , Mas Armop, Mas Greg, Mas Endro, Pakde, Mas Agung, Mas Daniel , Mas Gigih,
Koh Alfonso, Mas Angga, Mas Ivan, Kak Face, Yudha, Bintang, Kak Yuli, Kak Anne, Mas Kumis , Koh Yoshua , teman teman Lab XT lainnya yang
belum disebutkan dan juga mas mas senior di Lab XT Mas Dancuk dan Mas Wawak.
11.Pihak-pihak yang tidak bisa disebutkan satu per satu, yang turut andil dalam usaha penulis menyelesaikan studi di Universitas Kristen Satya Wacana.
Tentunya ada begitu banyak pihak yang membantu penulis selama studi dan penulisan tugas akhir ini. Terima kasih.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata “sempurna”, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika.
Salatiga, 1 Januari 2016
v
1.4. Sistematika Penulisan ... 3
BAB II DASAR TEORI... 4
2.1. Kajian Pustaka ... 4
2.2. Biomekanika ... 5
2.2.1. Biomekanika Saat Berjalan ... 5
2.2.2. Biomekanika Saat Berlari ... 8
2.2.3. Perbedaan Biomekanika Saat Berjalan dan Berlari ... 8
2.3. Piezoelektrik... 9
2.3.1. Pengertian Piezoelektrik ... 9
2.3.2. Pembagian Material Piezoelektrik dari Bahan Pembuatnya 12 2.3.2.1. PZT (Lead Zirconate TiTanates) ... 12
2.3.2.2. PVDF ( Polyvinylidine Flouride ) ... 13
2.4. Rangkaian Penyearah ... 15
2.4.1. Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan ... 16
2.4.2. Dioda Germanium ... 18
2.5. Pemanen Energi ... 19
vi
BAB III PERANCANGAN SISTEM ... 25
3.1. Gambaran Sistem ... 25
3.2. Gambaran Kerja Alat ... 26
3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras ... 26
3.3.1. Modul Lutut ... 28
3.3.1.1. Realisasi Modul Lutut ... 28
3.3.1.2. Biomekanika Modul Lutut ... 31
3.3.1.3. Proses Pengubahan Energi Mekanik Pada Modul Lutut ke Energi Listrik ... 34
3.3.1.4. Perhitungan Energi dan Daya yang Didapatkan dari Modul Lutut ... 35
3.3.2. Modul Bawah Kaki ... 37
3.3.2.1. Realisasi Modul Bawah Kaki ... 37
3.3.2.2. Biomekanika Modul Bawah Kaki ... 40
3.3.2.3. Perhitungan Daya yang Didapatkan dari Modul Bawah Kaki ... 41
3.3.3. Modul Pemanen Energi dan Penyimpan ... 42
3.3.3.1. IC Pemanen Energi ... 43
3.3.3.2. Baterai Kering ... 48
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ... 50
4.1. Pengujian Keseluruhan Modul Lutut ... 50
4.1.1. Pengujian Satu Piezoelektrik LDT0-028K ... 52
4.1.2. Pengujian Terhadap Modul Lutut ... 53
4.2. Pengujian Keseluruhan Modul Bawah Kaki ... 56
4.2.1. Pengujian satu piezoelektrik buzzer 7BB- 20 – 6L0 ... 57
4.4.2. Pengujian Terhadap Modul Bawah Kaki ... 58
4.3. Pengujian Pengukuran Arus pada Kedua Modul ... 61
4.4. Pengujian Modul Pemanen Energi dan Penyimpanan ... 61
4.4.1. Simulator LTC dengan LT Spice IV ... 61
4.4.2. Pemanen Energi Pada Pengujian Frekuensi ... 62
4.5. Modul Lutut yang Digabungkan dengan Modul Pemanen Energi ... 64
vii
4.5.2. Pengujian Pengisian Kapasitor 10 µF pada Modul Lutut
Dengan Alat Peraga Terhadap Waktu ... 66
4.5.3. Pengujian Tegangan Keluaran LTC3588-1 pada Modul Lutut Dengan Alat Peraga Setelah Tegangan Kapasitor 10 µF Terisi Penuh (Dengan Beban ) ... 67
4.6. Pengujian Modul Bawah Kaki Digabung dengan Modul Pemanen Energi . ... 68
4.6.1. Pengujian Modul Bawah Kaki dengan IC LTC 3588-1 ... 69
4.6.2. Pengujian Pengisian Kapasitor 10 µF pada Modul Bawah Kaki Terhadap Waktu ... 70
4.6.3. Pengujian Tegangan Keluaran LTC3588-1 pada Modul Bawah Kaki Setelah Tegangan Kapasitor 10 µF Terisi Penuh (Dengan Beban Berubah ubah) ... 75
4.7. Pengujian Modul Gabungan tanpa Modul Pemanen ... 75
4.8. Pengujian Modul Gabungan dengan Modul Pemanen ... 77
4.9. Pengujian Sistem Keseluruhan ... 79
4.10. Perbandingan Alat yang Terealisasi dengan Spesifikasi ... 85
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 87
5.1. Kesimpulan ... 87
5.2. Saran Pengembangan ... 88
DAFTAR PUSTAKA ... 89
LAMPIRAN A ... 91
LAMPIRAN B ... 92
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Kondisi Kaki Pada Kondisi Sepatu Selama Fase Stance ... 5
Gambar 2.2. Kondisi Tubuh Saat Berjalan Normal ... 6
Gambar 2.3. Kondisi Gerakan Dan Posisi Saat Fase Stance ... 6
Gambar 2.4. Grafik dalam Kondisi Gerakan Saat Berjalan ... 7
Gambar 2.5. Gerakan Saat Berlari Dalam Posisi Fase Stance Maupun Fase Swing ... 8
Gambar 2.6. Perbedaan Tekanan Puncak Pada Berbagai Aktivitas ... 8
Gambar 2.7. a. Grafik Perubahan Berjalan dan Berlari. ... 9
Gambar 2.7. b. Perubahan Posisi Kaki Pada Berbagai Aktivitas Berjalan Sampai Berlari ... 9
Gambar 2.8. Direct Piezoelectric Effect ... 10
Gambar 2.9. Inverse Piezoelectric Effect ... 10
Gambar 2.10. Keadaan Netral Material Piezoelektrik ... 11
Gambar 2.11. Keadaan Material Piezoelektrik Setelah Mendapat Tekanan Luar ... 11
Gambar 2.12. Keadaan Pengubahan Energi Mekanik Menjadi Energi Listrik Pada Material Piezoelektrik ... 12
Gambar 2.13. Bentuk Material Penyusun PZT ... 12
Gambar 2.14. Piezoelektrik buzzer tipe 7BB- 20 – 6L0. ... 13
Gambar 2.15. Bentuk Material Penyusun PVDF ... 13
Gambar 2.16. Piezoelektrik PVDF LDT0 -028K... 14
Gambar 2.17. Piezoelektrik PVDF LDT0 -028K Bagian Positif Dan Negatif ... 14
Gambar 2.18. Grafik piezoelektrik PVDF LDT0 -028K Sebagai Saklar Fleksibel ... 15
Gambar 2.19. Gambar Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan. ... 16
Gambar 2.20. Tegangan Masukan Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan ... 16
Gambar 2.21. Cara Kerja Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan .... 17
Gambar 2.22. Tegangan Keluaran Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan dengan Kondisi Dioda Ideal ... 17
ix
Gambar 2.24. Tegangan Keluaran dengan Dioda Tidak Ideal. ... 18
Gambar 2.25. Dioda Germanium. ... 19
Gambar 2.26. Karakteristik Dioda. ... 19
Gambar 2.27. Susunan Rangkaian Pada IC LTC 3588-1... 20
Gambar 2.28. Aplikasi Penggunaan Piezoelektrik Sebagai Power Supply ... 20
Gambar 2.29. Blok Diagram Didalam IC LTC 3588-1 ... 21
Gambar 2.30. Susunan Konfigurasi Pin IC LTC 3588-1. ... 22
Gambar 3.1. Diagram Sistem yang Dibuat ... 25
Gambar 3.8. Rangkaian Modul Lutut dengan Penyearah ... 30
Gambar 3.9. Perhitungan Pergerakan Biomekanika Yang Terkait dengan Gerak Pada Lutut ... 31
Gambar 3.10. Konsep Modul Bawah Kaki ... 37
Gambar 3.11. a. Modul Bawah Kaki Bagian Telapak Kaki Depan ... 38
Gambar 3.11. b. Modul Bawah Kaki Bagian Tumit ... 38
Gambar 3.11. c. Modul Bawah Kaki Seluruh Bagian ... 38
Gambar 3.12. Dimensi Ukuran Modul Bawah Kaki ... 38
Gambar 3.13. Rangkaian Modul Bawah Kaki dengan Penyearah ... 39
Gambar 3.14. a. Posisi Kaki saat (x0,y0,z0) ... 40
Gambar 3.14. b. Posisi Kaki saat (x,y,z) ... 40
Gambar 3.15. Rangkaian Breakout LTC 3588-1 ... 43
Gambar 3.16. IVin pada UVLO terhadap Vin ... 44
Gambar 3.17. Grafik Gelombang saat LTC 3588-1 Dialiri Arus Sumber Dengan 2 µA. 45 Gambar 3.18. Low Quiescent Current dari Buck Regulator pada Kondisi Regulation dan Sleep yang Disediakan pada Light Loads Secara Efisien ... 46
Gambar 3.19. Efisiensi Terhadap Ibeban ... 47
x
Gambar 3.21. Realisasi Baterai lithium ion polymer 3,7 V 110 mAh ... 48
Gambar 3.22. Skema Rangkaian Untuk Penyimpanan ... 49
Gambar 4.1. a. Pengujian Tiga Piezoelektrik PVDF ... 50
Gambar 4.1. b. Piezoelektrik LDT 028K Dengan Massa. ... 50
Gambar 4.1. c. Piezoelektrik LDT 028K Tanpa Massa. ... 50
Gambar 4.1. d. Piezoelektrik Dengan Tipe Minisense 100 Dengan Massa. ... 50
Gambar 4.2. Grafik Tegangan Keluaran pada satu PVDF LDT0- 028K ... 52
Gambar 4.3. a. Tegangan V1 (tidak disearahkan kearah positif). ... 53
Gambar 4.3. b. Tegangan V2 (tidak disearahkan kearah negatif). ... 53
Gambar 4.3. c. Tegangan V3 (Disearahkan).. ... 53
Gambar 4.4. Hasil Tegangan Modul Lutut yang Dipasangkan Pada Lutut ... 53
Gambar 4.5. a. Pengujian Dua Piezoelektrik Buzzer. ... 56
Gambar 4.5. b. Buzzer Tipe 7BB-35-3(35 mm). ... 56
Gambar 4.5. c. Buzzer Tipe 7BB-20-6L0(20 mm). ... 56
Gambar 4.6. Grafik Tegangan Keluaran Piezo Buzzer 7BB- 20 – 6L0 ... 57
Gambar 4.7. a.Tegangan Keluaran Satu Piezoelektrik Buzzer 7BB- 20 – 6L0 yang Tidak Disearahkan ... 58
Gambar 4.7. b.Tegangan Keluaran Satu Piezoelektrik Buzzer 7BB- 20 – 6L0 yang Disearahkan ... 58
Gambar 4.8. Gambar Rangkaian dari LTC 3588-1 dengan Simulator ... 61
Gambar 4.9. Hasil Simulasi dengan LT Spice IV ... 62
Gambar 4.10. Pengujian LTC 3588-1 pada Frekuensi 6kHz ... 62
Gambar 4.11. Hasil Data Pengujian LTC 3588-1 Frekuensi 6 Khz ... 63
Gambar 4.12. Pengujian LTC 3588-1 pada Frekuensi 180Hz ... 63
Gambar 4.13. Hasil Data Pengujian LTC 3588-1 Frekuensi 180Hz ... 64
Gambar 4.14. a. Gambar Tegangan Kapasitor pada LTC 3588-1 dari Sumber Pemanen Modul Lutut dengan Peraga ... 65
Gambar 4.14. b. Gambar Tegangan Keluaran pada LTC 3588-1 dari Sumber Pemanen Modul Lutut dengan Peraga ... 65
Gambar 4.15. Gambar Grafik Pengisian Kapasitor 10 µF Modul Lutut. ... 66
Gambar 4.16. Hasil Tegangan Keluaran Bawah Kaki dengan kondisi D0=1 dan D1=0. .. 69
Gambar 4.17. Hasil Tegangan Keluaran Bawah Kaki ketika diset D0=1 dan D1=1. ... 69
xi
Gambar 4.19. Grafik Tegangan Keluaran Modul Bawah Kaki Dengan Beban Resistor
1MΩ... 73
Gambar 4.20. Grafik Percobaan Cuplikan Tegangan Keluaran dengan Resistor 1MΩ setiap 1s selama 20 kali. ... 74
Gambar 4.21. Hasil Gelombang Gabungan Ketika Digerakkan Bersama-sama ... 75
Gambar 4.22. Hasil Gelombang Ketika Modul Bawah Kaki bergerak dan Modul Lutut Posisi Diam. ... 76
Gambar 4.23. Hasil Gelombang Ketika Modul Lutut bergerak dan Modul Bawah Kaki Posisi Diam. ... 76
Gambar 4.24. Hasil Gelombang Dalam Uji Coba Dipasangkan Pada Kaki pada Posisi Berjalan Ditempat. ... 77
Gambar 4.25. Hasil Tegangan Pengisian Kapasitor Rangkaian Gabungan Dua Modul dengan Modul Pemanen Energi. ... 78
Gambar 4.26. Hasil Tegangan Keluaran LTC 3588-1 Rangkaian Gabungan Dua Modul dengan Modul Pemanen Energi. ... 78
Gambar 4.27. Hasil Arus Keluaran LTC 3588-1 Rangkaian Gabungan Dua Modul dengan Modul Pemanen Energi. ... 79
Gambar 4.28. Pengujian Modul Penyimpan. ... 80
Gambar 4.29. Pengujian Sistem Keseluruhan dengan Beban yang Berubah-ubah... 81
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Karakteristik Piezoelektrik Buzzer Tipe 7BB-20-6L0... 13
Tabel 2.2. Karakteristik Piezoelektrik PVDF LDT0-028K Sebagai Saklar Fleksibel. .... 15
Tabel 2.3. Tabel Tegangan Keluaran IC LTC 3588-1 ... 21
Tabel 3.1. Tabel Hubungan Banyaknya Muatan dengan Banyaknya Frekuensi Getaran ... 35
Tabel 3.2. Tegangan UVLO pada LTC 3588-1 ... 45
Tabel 4.1. Hasil Perbandingan Tiga Piezoelektrik PVDF ... 51
Tabel 4.2. Tabel Percobaan Satu Piezoelektrik PVDF LDT0-028K ... 52
Tabel 4.3. Tabel Hasil Keluaran Modul Lutut dengan Beban dan Tanpa Beban ... 54
Tabel 4.4. Hasil Tegangan Keluaran Perbandingan Dua Piezoelektrik Buzzer ... 56
Tabel 4.5. Tabel Tegangan Keluaran Satu Piezoelektrik Buzzer 7BB- 20 – 6L0 ... 57
Tabel 4.6. Tabel Hasil Keluaran Telapak Kaki Bagian Depan ... 59
Tabel 4.7. Tabel Hasil Tegangan Keluaran Bagian Tumit... 60
Tabel 4.8. Tabel Arus Keluaran dengan R=100kΩ... 61
Tabel 4.9. Tabel Pengisian Kapasitor 10 µF Pada Modul Lutut ... 66
Tabel 4.10. Tegangan Keluaran IC LTC 3588-1 Modul Lutut dengan Beban ... 67
Tabel 4.11. Tabel Pengisian Kapasitor Modul Bawah Kaki ... 70
Tabel 4.12. Data Tegangan Keluaran Modul Bawah Kaki Dengan Beban Resistor 1 MΩ... 72
Tabel 4.13. Tabel Percobaan Cuplikan Tegangan Keluaran dengan Resistor 1 MΩ setiap 1s selama 20 kali ... 73
Tabel 4.14. Tabel Percobaan Tegangan Keluaran LTC 3588-1 Pada Modul BawahKaki dengan Beban yang Diubah-ubah ... 75
Tabel 4.15. Tabel Perbandingan Berjalan dan Berlari ... 81
Tabel 4.16. Tabel Hasil Pengujian Keseluruhan dengan Berganti-ganti Beban ... 82
xiii
DAFTAR ISTILAH
AC Alternating Current
DC Direct Current
FET Field Effect Transistor
GND Ground
IC Integrated Circuit
NMOS N Metal Oxyde Semi Conductor
PGOOD Power Good Comparator
PMOS P Metal Oxyde Semi Conductor
PVDF Polyvinylidene Flouride
PZT Lead Zirconate TiTanates
RMS Root Mean Square
