RANCANG BANGUN ALAT TRANSFER DAYA LISTRIK TANPA KABEL MENGGUNAKAN PRINSIP INDUKTIF MEDAN ELEKTROMAGNETIK DENGAN TEGANGAN INPUT 12 VOLT DC

Kata Pengantar Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Laporan Tugas Akhir ini sesuai dengan waktu yang ditentukan oleh Jurusan Teknik Mesin. Adapun Laporan Tugas Akhir ini berjudul RANCANG BANGUN ALAT TRANSFER DAYA LISTRIK TANPA KABEL MENGGUNAKAN PRINSIP INDUKTIF MEDAN ELEKTROMAGNETIK DENGAN TEGANGAN INPUT 12 VOLT DC. Ditulis sebagai salah satu syarat bagi setiap mahasiswa jurusan Teknik Mesin, program studi Teknik Konversi Energi Mekanik untuk menyelesaikan pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan laporan tugas akhir ini, penulis telah mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa material, spritual, informasi maupun segi administrasi. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. Idham Kamil, S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin; 3. Ir. Abdul Razak, M.T., Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik; 4. Aulia Salman, S.T., M.T., Sekretaris Jurusan Teknik Mesin; 5. Rihat Sebayang, S.T., M.T., Kepala Laboratorium Teknik Konversi Energi Mekanik dan sebagai Dosen Pembimbing; 6. Ir. Hairanus Tarigan, M.T., sebagai Dosen Wali kelas EN-6A 7. Seluruh Dosen Pengajar dan Staff Pegawai di Jurusan Teknik Mesin, terkhusus Dosen Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik; 8. Kepada Orang Tua penulis, serta seluruh keluarga yang telah memberikan doa dan dukungannya selama ini sehingga penulis dapat menyelesaikan pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan; 9. Kepada rekan-rekan Mahasiswa Teknik Konversi Energi Mekanik khususnya stambuk 2012. vi

Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih ada kekurangan. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari para pembaca. Penulis juga berharap agar laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca sekalian. Atas perhatiannya, penulis ucapkan terima kasih. Medan, 29 Agustus 2015 Hormat Penulis, Denny Boy Panggabean NIM : 1205051011 vii

DAFTAR ISI SPESIFIKASI TUGAS AKHIR... ii LEMBAR PERSETUJUAN... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv PERNYATAAN KEASLIAN ISI TUGAS AKHIR... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xi DAFTAR TABEL... xii INTI SARI... xiii ABSTRACT... xiv BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Batasan Masalah... 4 1.3. Tujuan Penulisan... 4 1.4. Manfaat Penulisan... 4 1.5. Metode Pengumpulan Data... 5 1.6. Sistematika Penulisan... 5 BAB II LANDASAN TEORI... 7 2.1. Sejarah Transfer Daya Listrik Tanpa Kabel... 7 2.2. Medan Magnet, Medan Listrik dan Medan Elektromagnetik... 9 2.2.1. Medan Magnet... 9 viii

2.2.2. Medan Listrik... 10 2.2.2.1. Asal Medan Listrik... 10 2.2.2.2. Tanda Muatan Listrik... 11 2.2.3. Medan Elektromagnetik... 12 2.3. Prinsip Induksi Medan Elektromagnetik... 12 2.3.1. Hukum Farraday... 13 2.3.2. Hukum Lenz... 15 2.3.3. Induktansi Diri... 16 2.3.4. Induktansi Bersama... 18 2.4. Prinsip Resonansi... 19 2.4.1. Resonansi Fisika... 19 2.4.2. Resonansi Elektromagnetik... 20 2.5. Faktor Q... 22 2.6. Rangkaian LC... 22 BAB III PERANCANGAN DAN PENGUJIAN... 24 3.1. Metode Realisasi... 24 3.2. Metode Perancangan dan Pengujian Alat... 25 3.2.1. Sistem Umum... 25 3.2.2. Konsep Perancangan... 26 3.2.3. Perancangan... 26 3.2.3.1. Perancangan Pemancar ( transmitter )... 26 3.2.3.2. Perancangan Penerima ( receiver )... 28 ix

3.2.4. Komponen yang digunakan... 29 3.2.5. Metode Pengujian... 31 3.1. Prinsip Kerja... 32 BAB IV ANALISA DATA... 33 BAB V PENUTUP... 36 5.1. Kesimpulan... 36 5.2. Saran... 36 DAFTAR PUSTAKA... 37 x

DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Tesla Coil... 2 Gambar 1.2. Demonstrasi WiTricity... 2 Gambar 1.3. Wireless Charging Pad ( WCP )... 3 Gambar 2.1. Gaya medan magnet pada kawat penghantar... 10 Gambar 2.2. Bentuk tanda-tanda muatan listrik... 12 Gambar 2.3. Arah gerak fluks magnetik... 13 Gambar 2.4. Percobaan Faraday terhadap perubahan garis gaya magnet... 14 Gambar 2.5. Kaidah tangan kanan... 15 Gambar 2.6. Solenoida... 16 Gambar 2.7. Toroida... 17 Gambar 2.8. Induktansi bersama... 18 Gambar 2.9. Resonansi pada garpu tala... 20 Gambar 2.10. Gelombang elektromagnetik... 21 Gambar 2.11. Rangkaian LC... 22 Gambar 3.1.Skematahap-tahap proses perancangan... 25 Gambar 3.2. Diagram plant dasar... 26 Gambar 3.3.Rangkaian Osilasi... 27 Gambar 3.4. Rangkaian Resonansi... 28 Gambar 3.5.Rangkaian penerima (receiver)... 28 Gambar 4.1.Grafik hubungan antara tegangan dan jarak... 34 xi

DAFTAR TABEL Tabel 1. Perubahan Nilai Tegangan pada Rangkaian Receiver terhadap Perubahan Jarak... 33 xii

INTISARI Transfer energi listrik tanpa kabelmemiliki beberapa kelebihan dibandingkan menggunakan kabel yaitu dapat meningkatkan kenyamanan dalam penggunaan peralatan listrik dan dapat mengurangi jumlah sampah elektronik. Dan pada era modernisasi sekarang ini, teknologi tanpa kabel berkembang dengan begitu pesat. Metode yang digunakan pada rancang bangun tugas akhir ini adalah prinsip induktif medan elektromagnetik. Pada dasarnya rangkaian dari alat ini terbagi dua bagian yaitu power transmiter dan receiver. Dimana daya listrik dihantarkan dengan menggunakan dua buah kumparan tembaga berbentuk solenoida yang saling ber-resonansi. Rangkaian transmiter mengubah tegangan 12 V DC ini menjadi tegangan dengan frekuensi tinggi yang kemudian dipancarkan melalui kumparan induktif solenoid dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Lalu gelombang ini ditangkap oleh receiver pada frekuensi sama dengan transmiter. Realisasi alat bekerja dengan baik bergantung dengan pengaturan komponen yang sesuai. Namun pengaruh jarak antara kumparan sangat mempengaruhi nilai energi listrik yang mampu ditransfer. Semakin jauh jarak antar kumparan, maka semakin kecil energi yang mampu dikirimkan. Kata Kunci: resonansi, gelombang elektromagnetik dan pengaruhnya terhadap jarak. xiii

ABSTRACT Nirkabel transfer of electrical energy has several advantages over using a cable that can increase comfort in the use of electrical equipment and can reduce the amount of electronic waste. And in today's era of modernization, nirkabel technology growing so rapidly. The method used in the design of this thesis is the principle of inductive electromagnetic field. Basically a series of tool is divided into two parts, namely transmitter and receiver. Where electric power is delivered by using two copper coils shaped solenoid mutually resonate. Transmitter circuit voltage of 12 V DC to change this into a voltage with a high frequency which is then transmitted via inductive solenoid coil in the form of electromagnetic waves. Then these waves are captured by the receiver at the same frequency as the transmitter. Realization tool works well depend on setting the appropriate components. However, the effect of distance between the coils greatly affect the value of the electrical energy that is able to be transferred. The farther the distance between the coils, the less energy is able to be transferred. Keywords: resonance, electromagnetic waves and the distance of inclination. xiv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok yang sangat penting dalam kehidupan manusia saat ini, di mana sangat banyak aktifitas manusia menggunakan energi listrik. Sampai saat ini pengiriman energi listrik komersial tegangan rendah 220 volt masih mempergunakan kabel listrik. Ide transfer daya nirkabel berasal dari ketidaknyamanan karena terlalu banyak berbagi kabel dengan jumlah soket listrik yang terbatas. Kami percaya bahwa banyak orang memiliki pengalaman yang sama kurang cukup soket untuk perangkat elektronik mereka. Sehingga dengan menciptakan sistem transfer daya nirkabel, itu akan membantu membersihkan kekacauan kabel sekitar soket listrik membuat ruang lebih rapi dan terorganisir. Teknologi untuk transmisi daya nirkabel atau transfer daya nirkabel adalah di garis depan pengembangan elektronik. Fungsi utama dari transfer daya nirkabel adalah untuk memungkinkan perangkat listrik yang akan dikenakan terus menerus dan kehilangan kendala dari kabel listrik. Pengiriman energi listrik tanpa kabelpertama kali dibuktikan oleh Nikola Tesla pada tahun 1893.Nikola Tesla memiliki pemikiran tentang mengirimkan tegangan dengan media udara yang dibuktikannya dengan membuat sebuah alat yang dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu kumparan Tesla (Tesla Coil). Nikola melakukan penelitian transfer daya energi listrik ini dengan membangun menara Wardenclyffe di Shoreham, Long Island, yang berfungsi sebagai sarana telekomunikasi nirkabel dan pengiriman daya listrik. Berkembangnya teknologi nirkabel ini tidak terlepas dari penelitian ilmuwan bernama Heinrich Hertz, yang meneliti transmisi energi kecil, pada frekuensi radio, dan sangat berguna bagi keperluan transmisi data dan komunikasi dari suatu tempat ke tempat lain tanpa menggunakan kabel. 1

Gambar 1.1. Tesla Coil Upaya pengembangan transfer energi listrik tanpa kabelterus dikembangkan namun relatif tidak memberikan hasil yang memadai sampai pada tahun 2007 para peneliti dari MIT mendemonstrasikan pengiriman energi listrik tanpa kabelyang 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%. Gambar 1.2. Demonstrasi WiTricity 2

Salah satu contoh keunggulan mengapa pentingnya dilakukan penelitian mengenai transfer daya listrik tanpa kabel ini adalah Wireless Charging Pad (WCP). WCP merupakan alat untuk men-charge Hp dan kamera di mana Hp atau kamera hanya perlu di letakan di atas WCP (berbentuk bantalan) dan baterai langsung terisi. Pengisian ulang baterai Hp secara nirkabel ini akan mampu meningkatkan kenyamanan pemakaian peralatan khususnya peralatan elektronik berdaya rendah. Gambar 1.3. Wireless Charging Pad (WCP) Penelitian untuk tugas akhir ini merupakan perancangan prototype transfer energi listrik tanpa kabeldengan tegangan 12 V. Energi listrik yang ditransfer menggunakan prinsip resonansi induktif medan elektromagnetik. Transfer energi medan elektromagnetik secara induktif merupakan transmisi energi tanpa kabelmedan magnet untuk jarak dekat. Oleh karena itu penulis membuat Tugas Akhir dengan judul: RANCANG BANGUN ALAT TRANSFER DAYA LISTRIK TANPA KABEL MENGGUNAKAN PRINSIP RESONANSI INDUKTIF MEDAN ELEKTROMAGNETIK DENGAN TEGANGAN INPUT 12 VOLT DC 3

1.2 Batasan Masalah Pada laporan tugas akhir ini, agar pembahasan tepat pada sasaran maka rancang bangun tugas akhir ini membahas tentang: 1. Perancangan alat pengirim daya listrik (transmiter) dan alat penerima daya listrik (receiver) 2. Bahan yang digunakan untuk dapat mengetahui bahwa alat berfungsi adalah High power LED 12V 3. Hanya pengaruh perubahan jarak antara kumparan pemancar dan kumparan penerima 4. Tidak membahas input tegangan transmiter melainkan output tegangan 1.3 Tujuan Penulisan Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah: 1. Merancang suatu alat yang dapat mentransmisikan daya listrik tanpa kabel dengan menggunakan prinsip induksi medan elektromagnetik, 2. Dapat mengetahui jarak kumparan penerima yang efisien, 3. Dapat mengaplikasikan alat ini agar dapat dipakai oleh masyarakat terkhususnya pada alat-alat elektronik di rumah, bidang telekomunikasi dan bidang otomotif, 4. Sebagai syarat kelulusan dari studi Diploma III jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. 1.4 Manfaat Penulisan Adapun manfaat laporan Tugas Akhir ini adalah: 1. Menambah pengetahuan dan wawasan tentang proses dan cara merancang dan membangun alat transfer daya listrik tanpa kabel ini 2. Dapat dijadikan referensi ( bahan bacaan ) bagi yang membutuhkan informasi yang berkaitan dengan tugas akhir ini 4

1.5 Metode Pengumpulan Data Berbagai cara yang dilakukan penulis dalam pengumpulan data di antaranya: 1. Melakukan konsultasi dengan dosen pembimbing maupun pihak-pihak yang dapat membantu menyelesaikan tugas akhir ini yang memahami dan mengerti tentang perancangan alat tersebut, 2. Dengan mencari buku-buku yang ada di perpustakaan Politeknik Negeri Medan maupun sumber lain yang berkaitan dengan perancangan alat tersebut, 3. Melalui website-website yang berhubungan dengan perancangan alat tersebut, 4. Membuat rancang bangun, pengujian, dan pengambilan data 1.6 Sistematika Penulisan Untuk memaparkanhasil perancangan, perakitan, dan pengujian sistem yang akan dibuat, maka laporan ini akan disusun dalam sistematika yang diharapkan mempermudah dengan memahami materi-materi yang akan disampaikan kepada pembaca. Laporan ini terdiri dari 5 ( lima ) bab yang masing-masing membahas mengenai pokok penting dalam perencanaan proyek ini. Bab - bab yang terkandung dalam proyek ini adalah: BAB I PENDAHULUAN Bab ini menjelaskan tentang latar belakang pemilihan judul, batasan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, metode pengumpulan data dan sistematika pennulisan. BAB II LANDASAN TEORI Bab ini menjelaskan tentang teori dasar yang perlu diketahui untuk mempermudah dalam pemahaman sistem kerja alat ini, seperti 5

perkembangan daya listrik tanpa kabel, teori-teori yang membahas alat ini, alat bantu pengujian dan lain-lain. BAB III PERANCANGAN DAN PENGUJIAN Bab ini menjelaskan tentang tahap-tahap dalam pengerjaan pembuatan sistem transfer daya listrik tanpa kabel, cara kerja sistem dan pemilihan alat komponen. BAB IV ANALISA DATA Bab ini menjelaskan bagaimana pengujian dan pengukuran yang dilakukan pada peralatan yang direncanakan, apakah peralatan tersebut dianggap telah berjaln dengan baik atau tidak. BAB V PENUTUP Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang didapat berdasarkan hasil pengujian dari peralatan yang direncanakan, serta saran yang akan disampaikan kepada pembaca. 6