ANALISA MEDIA TRANSMITTER DAN RECEIVER DAYA LISTRIK

PADA WIRELESS CHARGER TESLA

Iwan

Iwan@staff.gunadarma.ac.id

Mahesi09istiwan@yahoo.com

Abstrak

Sistem transfer daya listrik pada saat ini sangat dibutuhkan,dengan adanya sistem

wireless yang digunakan untuk mempermudah mengambil sumber daya listrik untuk

menghidupkan komponen-komponen elektronik secara praktis, dengan Metode yang

digunakan pada sistem Wireless Power Transmission adalah induksi resonansi magnetik.

Dimana, tegangan dengan frekuensi tinggi dipancarkan oleh transmitter lalu dengan prinsip

resonansi tegangan yang dipancarkan dapat diterima oleh receiver dalam bentuk tegangan

berfrekuensi sama dengan transmitter. Pada penelitian ini untuk menghasilkan tegangan

berfrekuensi digunakanlah oscillator.

Kata kunci: transmitter,induksi resonansi magnetik,oscillator.

PENDAHULUAN

Dijaman modern sekarang ini

banyak sekali alat-alat yang sangat

canggih banyak dikeluarkan, alat-alat

tersebut pastinya tidak terlepas yang

namanya sumber daya atau membutuhkan

sumber daya listrik.maka dari itu

bermunculan inovasi-inovasi baru untuk

menciptakan berbagai macam media yang

dijadikan suplai tenaga listrik atau sumber

listrik untuk mengisi alat-alat elektronik

yang membutuhkan tenaga listrik.dimana

sumber listrik tersebut akan dijadikan inti

untuk menghidupan komponen

tersebut.kembali kepada penemu-penemu

listrik yang sudah sanga-sangat berjasa

sekali untuk menciptakan sumber tenaga

listrik,sehingga pada saat ini seluruh

manusia sudah menikmati hasil penemuan

mereka yaitu listrik yang memberikan

penerangan.

Pada tahun 2007 secara mengejutkan,

Marin Soljacic dkk peneliti di

Massachusetts Institute of Technology

(MIT), berhasil menyalakan balon listrik

60 watt pada jarak 2 meter . Mereka

menemukan bahwa untuk mendapatkan

efisiensi transmisi energi listrik yang

tinggi, antara pengirim dan penerima harus

memiliki frekwensi resonansi yang sama.

Sebuah transmitter wireless energi listrik

memancarkan medan magnet dengan

bantuan coil yang dipancarkan dengan

frekuensi yang sama dengan receiver. Agar

impedansinya optimal, digunakan

gulungan kabel pada kedua sisinya.

Gulungan kabel juga berfungsi sama

seperti gigi transmisi sepeda. Saat

menanjak gigi transmisi diturunkan agar

mendapatkan energi yang lebih efisien,

begitupun sebaliknya. Receiver juga

menentukan sendiri tegangan yang

diperlukan sesuai dengan ukuran. Dengan

teknologi ini tidak ada kontak fisik antara

pengirim dan penerima. Selain itu,

transmiter juga hanya memancarkan energi

sebanyak yang diperlukan oleh receiver.

Pada akhir abad ke 18, seorang

ilmuan yang bernama Nikola Tesla

memiliki pemikiran tentang bagaimana

mentransmisikan tengangan dengan media

udara atau dengan kata lain tanpa perantara

kabel (wireless). Dari percobaan yang

dilakukan tersebut dihasilkan sebuah alat

yang dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu

kumparan Tesla (Tesla Coil) . Dengan Alat

ini Nikola Tesla dapat menghasilkan

tegangan yang sangat tinggi, arus yang

kecil, frekuensi yang sangat tinggi dan

berhasil mengirimkan daya listrik sebesar

1.000.000 volt tanpa melalui suatu kabel

sejauh 26 mil untuk menyalakan kurang

lebih 200 lampu dan 1 motor listrik.

Gambar 1. desain awal wireless power

transfer Nikola Tesla

TRANSFER ENERGY

Kopling energi terjadi ketika

sumber energi memiliki alat untuk

mentransfer energi dari satu objek ke objek

yang lain. Contoh paling sederhana ketika

sebuah lokomotive menarik rangkaian

gerbong kereta api. Kopling mekanik yang

menghubung lokomotive dan gerbong

memungkinkan kereta untuk bergerak dan

mengalahkan gaya gesek antara roda

kereta dengan rel sehingga kereta dapat

melaju.

Kopling magnetik terjadi ketika medan

magnet pada salah satu objek berinteraksi

dengan objek yang lain dan

menginduksikan arus listrik pada objek

tersebut. Melalui mekanisme ini energi

listrik dapat ditransfer dari sumber supply

energi ke peralatan yang memerlukan

energi listrik.

Sangat berbeda dengan kopling

mekanik seperti yang dicontohkan pada

kereta api, kopling magnetik tidak

memerlukan kontak secara fisik antara

sumber pengirim atau pembangkit energi

dengan objek yang menerima energi

tersebut.

Gambar 2. Magnetic Coupling

Rangkaian oscillator pada prinsipnya

hampir sama dengan rangkaian inverter

untuk mengubah gelombang searah DC

menjadi gelombang denyut AC. Pada

rangkaian digital komponen oscillator

sederhana seperti crystal banyak

digunakan sebagai pembangkit clock

sinyal pada integrated circuit agar dapat

berkomunikasi IC to IC. Sedangkan pada

perangkat elektronik saat ini rangkaian

oscillator banyak digunakan pada

rangkaian power supply/ SMPS (switch

main Power supply) Dengan bantuan IC

PWM sebagai trigger untuk menghasilkan

gelombang denyut. Sedangkan pada

pengembangan saat ini dalam dunia

kelistrikan dimana tuntutan teknologi yang

semakin besar akan effisiensi dalam hal

biaya dan instalasi, konsep wireless power

atau transmit daya listrik dalam jumlah

besar tanpa menggunakan kabel sebagai

penyalur utama menjadi tantangan

dibanyak belahan dunia. Rangkaian

oscilolator menjadi bagian penting dalam

sistem wireless power, dimana gelombang

denyut yang dihasilkan rangkaian

oscillator pada dasarnya menghasilkan

medan elektromagnetik yang berubah-

ubah. Dan jika radiasi medan

elektromagnetik tersebut terkena kawat/

konduktor yang berada dalam jarak

radiasinya maka akan menyebabkan

timbulnya arus pada kawat tersebut

(percobaan faraday).

Gambar 3. Diagram wireless Power

Transfer

Vinduksi = - N d∅

dt

∅ = BA

Dimana: V ind = Tegangan induksi (Volt)

N = Jumlah lilitan

B = Medan magnetik (Tesla)

A = Fluks magnetik (weber)

∅ = Luas Kumparan (Meter

persegi)

Sebuah Colpitts osilator , yaitu setelah

perusahaan penemu Edwin H. Colpitts

adalah salah satu dari sejumlah desain

untuk osilator elektronik sirkuit dengan

menggunakan kombinasi dari induktansi

(L) dengan kapasitor (C) untuk penentuan

frekuensi, demikian juga disebut LC

osilator . Fitur yang membedakan

rangkaian Colpitts adalah bahwa umpan

balik sinyal diambil dari pembagi tegangan

yang dibuat oleh dua kapasitor secara seri.

Salah satu fitur utama dari jenis osilator

adalah kesederhanaannya (hanya

memerlukan induktor tunggal) dan

ketahanan.

RANGKAIAN TRANSMITTER

(PEMANCAR)

Perancangan transmitter (pengirim/

pemancar) merupakan bagian yang paling

penting dalam sistem ini, jika tidak ada

rangkaian pemancar, maka sebuah

tegangan dari supply tidak dapat di

transmisi / dihantarkan tanpa

menggunakan kabel.

Dalam perancangan rangkaian

Transmitter dibutuhkan beberapa

komponen agar supaya energi yang

dipancarkan oleh alat tersebut

menghasilkan pancaran energi yang baik,

komponen utama yang sangat penting

adalah kawat email. Diameter kawat email

yang digunakan dalam rangkaian ini

adalah 3 mm

Gambar 4 Rangkaian Transmitter

RANGKAIAN RECEIVER (PENERIMA)

Pada penelitian ini receiver (penerima)

gelombang elektromagnetik dengan proses

resonansi magnetik, rangkaian penerima

hanya terdiri dari rangkaian LC saja yang

akan terhubung ke beban. Rangkaian LC.

Untuk mendapatkan penerimaan

gelombang yang hampir sempurna, maka

frekuensi resonansi sendiri pada rangkaian

penerima kurang lebih sama dengan

frekuensi resonansi pada rangkaian

transmitter, ini berguna untuk

mendapatkan frekuensi resonansi bersama

bisa terpenuhi. Jika, dalam suatu sistem

pengiriman daya listrik tanpa kabel

konstruksi dan perancangan pada sisi

penerima juga akan sangat mempengaruhi

daya listrik yang dapat diterima baik itu

dalam hal jarak maupun tegangan keluaran

yang dihasilkan ke beban. Unjuk kerja

yang dihasilkan dalam sistem ini

diharapkan lebih baik jika dibandingkan

dengan menggunakan konsep induksi

tradisional seperti pada konsep yang

dipakai pada trafo, tetapi mungkin tidak

lebih baik jika dibandingkan dengan

memakai kabel seperti biasa.

Gambar 5 Rangkaian Receiver

METODE PENELITIAN

Dalam menjelaskan rancang bangun

system dan prosedur pengukuran alat

pengukur frekuensi untuk pengiriman daya

nirkabel. Namun sebelumnya agar lebih

sistematis dan mudah di mengerti atau

dipahami. Maka membutuhkan sebuah

tahapan untuk membantu proses

pembuatan dan mencapai tujuan yang

diharapkan.

Gambar. 6 Tahapan wireless charger

Penghantar daya tanpa kabel,yang secara

umum lebih dikenal dengan sebutan

wireless powernya berupa rangkaian

pengirim ( transmitter ) dan rangkaian

penerima ( receiver).berikut skema

pembuatan rancang wireless power supply.

Gambar 6. Digram plant dasar

Rangkaian transmitter atau rangkaian

penghasil sinyal akan mengirimkan sinyal

dengan frekuensi 52 khz, sinyal yang

dikirim pada dasarnya berupa induksi

medan elaktro magnet. Yang akan

membangkikan arus pada lilitan receiver,

seperti yang kita ketahui berdasarkan

penelitian faraday bahwa medan magnet

yang berupa terhadap waktu dapat

membangkitkan arus listrik pada

konduktor. Sinyal yang diterima pada

receiver berupa sinyal sinus. Agar sinyal

yang diterima pada receiver berupa sinyal

sinus yang stabil dan dengan daya yang

maksimal maka harus dibuat rangkaian LC

yang frekuensi resonansinya 52 khz.sinus

soidal yang ditangkap tidak bias langsung

diaplikasikan kebeban yang menggunakan

arus bolak-balik (AC) karena frekuensi

yang berada diatas frekuensi peralatan

yang banyak beredar dipasaran atau

sebesar 50 hz karna dapat menyebabkan

panas berlebih dan dapat merusak

komponen. Oleh karna itu pada receiver

dibuat rangkaian bridge diode untuk

merubah dari arus AC menjadi arus DC

untuk kemudian dimanfaatkan pada beban.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam pengujian transmitter terdapat

dua jenis pengujian untuk melihat trend

yang terjadi pada sistem tersebut.

Pengujian ini bertujuan untuk melihat

frekuensi yang dihasilkan dari transmitter

yang telah dibuat hingga mendapatkan

nilai yang kiranya dianggap optimal baik

dari sisi biaya maupun hasil yang

diinginkan, pengujian itu terdiri dari :

Pengujian frekuensi transmitter

tanpa beban

Pengujian frekuensi transmitter

dengan beban

Analisa Pengujian frekuensi transmitter

tanpa beban.

Tabel 1. Data percobaan tanpa beban

Dari data diatas pada jumlah kapasitor 1

buah dengan 10 buah terjadi perubahan

yang signifikan baik dari frekuensi

maupun dari tegangan, baik tegangan peak

to peak maupun tegangan RMS. Dengan

adanya kenaikan jumlah kapasitor maka

perbandingan dengan frekuensi akan

berbanding terbalik dan sebanding lurus

dengan kenaikan tegangan pada sistem.

Dari data diatas belum bisa

mereperesentasikan mana nilai yang

terbaik dari transmitnya, namun bila

tegangan yang menjadi patokan untuk

transmisi maka bisa dipastikan semakin

besar kapasitor (sekitar 8-9 cap) akan

semakin bagus karena nilai tegangan yang

dihasilkan juga sangat besar. Namun hal

lain yang perlu dilihat yaitu pada hukum

kecepatan rambat dimana:

v = λ × f (4-1)

maka semakin kecil nilai frekuensi akan

berpengaruh pada kecepatan rambat (jika

kita asumsikan panjang gelombang selalu

sama). Dengan lambatnya kecepatan

rambat pada sistem maka akan

mempengaruhi penghantaran daya. Oleh

karena itu dari data diatas dapat diambil

nilai rata-rata frekuensi yang terjadi,

dengan demikian akan diperoleh berapa

nilai yang masih reasonable untuk

digunakan pada sistem ini. Hal ini akan

dipermudah bila telah mendapatkan data

dari percoban ke dua.

Tabel 2. Perbandingan perhitungan

dengan percobaan tanpa beban

Gambar 7. pengukuran di Osciloscope pada kapasitor ke 7

Hasil data tabel 2 diatas

merepresentasikan bahwa sistem yang

dibuat telah sesuai dengan teori yang

ada. Kesalahan-kesalahan yang terjadi

pada sistem ini tidak terlalu signifikan

karena jika dilihat dari persentasi error

yang ada nilainya tidak lebih dari 10%,

dengan nilai demikian dapat

disimpulkan bahwa sistem telah berjalan

hingga dapat membentuk gelombang

resonansi yang diinginkan.

Analisa sistem dengan perubahan

frekuensi dengan beban

Pada pengujian yang kedua ini,

dilakukan pengambilan data frekuensi

yang sama seperti percobaan pertama,

namun ditambahkan sebuah receiver

dimana pada receiver tersebut diberikan

sebuah beban yang berupa lampu pijar

yang memiliki spesifikasi, 12 V/8W.

Sama seperti apa yang dilakukan pada

percobaan pertama percobaan dilakukan

dengan mengubah-ubah nilai kapasitor

yang ada pada transmitter sehingga

perubahan yang terjadi pada percobaan

pertama juga akan sama terjadi pada

percobaan kedua. Namun perbedaan antara

percobaan pertama dan kedua adalah pada

saat pengukuran disini terdapat rangkaian

receiver sebagai pembuktian apakah

memang sistem WPT berjalan.

Dengan adanya receiver pada

percobaan kedua bukan berarti receiver

menjadi tolak ukur untuk pembahasan

dalam analisa ini. Receiver disini hanya

sebagai pelengkap data dari proses analisa

untuk mendapatkan nilai transmit yang

terbaik. Sedangkan untuk pembahasan

receiver akan dibahas pada penulisan yang

lainnya.

Data yang terdapat di tabel 3,

merupakan data yang di dapat dari

percobaan yang dilakukan. Terlihat trend

perubahan yang terjadi pada tabel 3

hampir sama dengan trend pada tabel 1.

Dimana, dengan adanya kenaikan jumlah

kapasitor maka akan terjadi penurunan

pada frekuensi sehingga akan dikatakan

berbanding terbalik dan sebaliknya terjadi

kenaikan pada tegangan atau sebanding

lurus dengan kenaikan tegangan pada

sistem.

Namun, dengan adanya data

tegangan yang diterima pada receiver

maka hasil ini akan dapat membantu untuk

menentukan mana jumlah kapasitor yang

paling optimum untuk transmitter. Dari

data nilai yang paling baik terjadi mulai

pada kapasitor ke 6 dimana tegangan RMS

yang terbaca di Osciloscope sebesar 16,40

Vrms (dengan beban lampu 12V/8w) dan

semakin baik di mana ketika jumlah

kapasitor ke 7 dengan nilai tegangan RMS

21Vrms.

Tabel 3. Data percobaan dengan

beban

Tabel 4. Perbandingan perhitungan

dengan percobaan dengan beban

Gambar 7 Pengukuran pada receiver di

osciloscope pada kapasitor ke 9.

Berdasarkan pengujian yang dilakukan

untuk sebuah perancangan transmitter

pada sistem Wireless Power Transmission

(WPT). Maka didapat sebuah kesimpulan

yang didapat adalah :

1. Sebuah transmisi daya dapat

dilakukan secara nirkabel dengan

mengunakan prinsip resonansi pada

couple magnetic.

2. Rangkaian switching merupakan

rangkaian yang mengubah arus se-

arah menjadi arus bolak balik

dengan frekuensi tertentu.

3. Rangkaian resonansi merupakan

rangkaian yang terdiri dari induktor

dan kapasitor yang tersusun

paralel, sehingga dapat membuat

tegangan dapat terpancar yang

dikarenakan hasil frekuensi

rangkaian resonansi tersebut.

4. Semakin jauh jarak antara receiver

dengan transmitter dapat

mempengaruhi tegangan yang

diterima receiver.

DAFTAR PUSTAKA

Dr David Pottinge, The Possibility Of

WirelesElectricity,2009

<http://stepsandleaps.wordpress.com/2009

/09/15/the-possibility-of-wireless

electricity> .

Budimir Djuradj and Marincic

Aleksandar (2006) , Research Activities

and Future Trends of Microwave Wireless

PowerTransmission,SIXTHINTERNATIONA

L SYMPOSIUM NIKOLA TESLA, Serbia

Estimation of Output Voltage and

Magnetic Flux Density for a Wireless

Charging System with Different Magnetic

Core Properties. Journal of

Magnetics18(2),105-110(2013.

Evaluation of Wireless Resonant

Power Transfer Systems With Human

Electromagnetic Exposure Limits.IEEE

Transaction on Elektromagnetic

compatibility.

Marinic.A.S.”Nikola Tesla The

Wireless Transfer. IEE Transaction of

power energy