RANCANG BANGUN SISTEM PENCAHAYAAN HYBRID MENGGUNAKAN SERAT OPTIK DAN ULTRABRIGHT LED Henri Sukmajaya 2205 100 148 Jurusan Teknik Elektro FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya 60111 Abstrak - Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih sumber cahaya. Sistem ini terdiri dari sistem cahaya buatan dan cahaya alami. Sumber cahaya buatan didapatkan dari peranti semikonduktor yaitu ultrabright Light Emitting Diode/Luxeon (LED) sedangkan cahaya alami didapatkan dari matahari yang disalurkan melalui serat optik. Pada tugas akhir ini dibuat sistem pencahayaan hybrid yang mengabungkan sumber cahaya alami dari sinar matahari yang kemudian dikompensasi oleh cahaya dari ultrabright LED. Sumber cahaya alami diperoleh dari sinar matahari yang difokuskan oleh parabola kolektorcahaya. Parabola kolektor-cahaya berfungsi untuk memusatkan cahaya matahari menjadi satu titik cahaya. Cahaya tersebut kemudian dilewatkan melalui serat optik untuk dipancarkan pada ruangan yang membutuhkan pencahayaan. Parabola kolektor-cahaya dapat mengikuti pergerakan cahaya matahari dengan pendeteksian sensor dan pergerakan motor DC. Sumber cahaya buatan diperoleh dari tiga buah ultrabright LED yang dipasang membentuk segitiga. Sumber cahaya ini digunakan untuk mengkompensasi sumber cahaya alami sehingga kebutuhan pencahayaan ruangan bisa terpenuhi. Proses kontrol iluminasi ruangan menggunakan metode kontrol proporsional Berdasarkan pengujian didapatkan bahwa sistem pencahayaan hybrid yang telah dirancang mampu memberikan pencahayaan ruangan yang konstan 200 lux dengan fluktuasi cahaya serat optik dengan rata-rata eror steady state sebesar 3,57% atau 1,34 lux. Kata Kunci: pencahayaan hybrid, ultrabright LED, serat optik, parabola kolektor-cahaya. I. PENDAHULUAN Penggunaan energi listrik untuk pencahayaan pada gedung-gedung swasta atau pemerintah memerlukan biaya operasional yang tinggi, terutama pada gedunggedung yang membutuhkan pencahayaan pada siang hari seperti ruangan bawah tanah, tempat parkir, perpustakaan, rumah sakit, dan lain-lain. Di sisi lain, letak geografis negara Indonesia pada jalur khatulistiwa memberikan keuntungan akan melimpahnya sumber cahaya matahari. Salah satu cara untuk menghemat penggunaan energi listrik untuk pencahayaan adalah dengan memanfaatkan sumber cahaya matahari. Sumber cahaya matahari bisa dimanfaatkan untuk kebutuhan pencahayaan dengan menggabungkan sumber energi lain yang dikenal dengan sistem pencahayaan hybrid. Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih sumber cahaya untuk satu sistem pencahayaan. Sumber cahaya yang digunakan adalah sumber cahaya yang memanfaatkan sinar matahari dan sumber cahaya berbasis solid state. Sistem pencahayaan hybrid membutuhkan pencahayan buatan beberapa saat ketika cahaya matahari tidak bersinar sepenuhnya sehingga tidak bisa memberikan pencahayaan yang cukup pada ruangan [1]. Penggunaan sinar matahari dinilai lebih murah dan memberikan efisiensi energi. Sedangkan penggunaan sumber cahaya berbasis solid state dinilai lebih hemat daya dan mempunyai umur pemakaian yang lebih lama dibandingkan dengan lampu listrik II. TEORI PENUNJANG Teori yang digunakan meliputi Serat optik, Ultrabright LED, Sensor LDR, Pulse Width Modulation (PWM), Intensitas penerangan (Iluminasi) 2.1 Serat Optik Prinsip pemanduan cahaya pada serat optik adalah total internal reflection. Total internal reflection dapat terjadi apabila cahaya datang dari suatu medium yang memiliki indek bias lebih tinggi ke medium yang memiliki indek bias lebih rendah dan dengan sudut datang lebih besar dari pada sudut kritisnya. Sinar 1,2 dan 3 mengalami refraksi karena sudut datangnya lebih kecil dari pada sudut kritis, sedangkan sinar 4 dan 5 dipantulkan karena sudut datangnya lebih besar dari pada sudut kritisnya. Gambar 2.1 Total Internal Reflection 2.2 Ultrabright/Luxeon LED Ultrabright LED merupakan device semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya dengan memberikan bias tegangan pada sambungan p-n semikonduktor. Ultrabright LED memancarkan cahaya 1
putih yang lebih cerah dan cocok untuk aplikasi pencahayaan dibandingkan LED biasa. 3.1.1 Perancangan sistem pencahayaan buatan Sistem pencahayaan buatan diperoleh dari 3 buah ultrabright LED yang disusun membentuk segitiga. Gambar 2.2 Ultrabright/Luxeon LED [5] 2.3 Sensor LDR (Light Dependent Resistor) LDR merupakan resistor yang resistansinya berubah seiring dengan intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada di sekitarnya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR biasanya sekitar 10 Mohm, sedangkan dalam keadaan terang sekitar 1Kohm atau kurang. Gambar 2.3 LDR (Light Dependent Resistor). 2.4 Intensitas Penerangan (Iluminasi) Intensitas penerangan adalah pernyataan kuantitatif untuk intensitas cahaya yang menimpa atau sampai pada permukaan bidang. Intensitas penerangan disebut pula iluminasi atau kuat penerangan dengan satuan lux [3]. III. PERANCANGAN ALAT Desain ini memungkinkan kedua sistem pencahayaan untuk bekerja secara bersama. Kedua sistem akan bekerja secara bersama saat sistem pencahayaan alami dari serat optik tidak mampu memberikan pencahayaan ruangan yang cukup, sehingga kekurangan pencahayaan ruangan akan dikompensasi oleh sistem pencahayaan buatan. 3.1 Perancangan sistem pencahayaan hybrid Sistem pencahayaan hybrid secara garis besar terdiri dari tiga komponen utama, yaitu sistem pencahayaan buatan dari ultrabright LED, sistem pencahayaan alami dari serat optik, dan sistem pengaturan iluminasi. Gambar 3.2 Skematik ultrabright LED Berdasarkan karakteristik dari ultrabright LED, intensitas keluaran ultrabright LED maksimal pada arus 700mA (dari datasheet). Dari karakteristik ini kita dapat menetukan arus kemudi pada LED, dalam hal ini ditentukan arus kemudi maksimal adalah sebesar 470mA. Sehingga besar arus kemudi yang dibutuhkan untuk 3 buah ultrabright LED adalah tetap 470mA, hal ini karena LED dipasang secara seri. 3.1.2 Perancangan sistem pencahayaan mengunakan serat optik Perancangan mekanik Perancangan mekanik meliputi pembuatan mekanik solar tracker dan parabola kolektor-cahaya matahari. Perancangan sistem pencahayaan alami dengan medium serat optik terdiri dari parabola kolektor-cahaya dan solar tracking otomatis. Sistem distribusi cahaya menggunakan serat optik. Untuk tujuan kopling cahaya ke dalam serat optik, digunakan kolektor kedua berupa cermin datar yang ditempatkan di bawah titik fokus dari parabolic dish concentrator/parabola kolektor-cahaya seperti tampak pada gambar 3.3. Gambar 3.3 Parabola kolektor-cahaya Gambar 3.1 Miniatur ruangan sistem pencahayaan hybrid Gambar 3.4 Mekanik solar tracker 2
Perancangan hardware solar tracker Hardware solar tracker terdiri dari rangkaian komparator, rangkaian driver motor DC, dan empat buah sensor cahaya berupa LDR. Rangkaian komparator digunakan untuk membandingkan nilai tegangan sensor. Terdapat dua buah rangkaian komparator. Pada gambar 3.5 berikut adalah dua buah komparatora dan komparatorb. Gambar 3.7 Rangkaian driver motor DC Gambar 3.5 Rangkaian komparator 3.1.3 Perancangan sistem kontrol iluminasi Perancangan hardware kontrol iluminasi Hardware untuk sistem pengatura iluminasi terdiri dari rangkaian sistem minimum mikrokontroler Atmega16 dan rangkaian driver LED menggunakan transistor TIP31. Berikut adalah gambar rangkaian sistem minimum mikrokontroler yang dilengkapi dengan driver LED. Gambar 3.6 Rangkaian sensor untuk solar tracker Hardware selanjutnya adalah rangkaian driver motor DC. Driver motor DC digunakan untuk mengendalikan putaran motor apakah motor diinginkan berputar searah jarum jam atau berputar berlawanan dengan jarum jam. Pada perancangan ini digunakan IC L298 sebagai komponen utamanya. Gambar rangkaian driver motor DC dapat lihat pada gambar 3.7. Gambar 3.8 Rangkaian driver LED Rangkaian driver LED pada gambar 3.8 digunakan untuk menyalakan LED. Intensitas kecerahan dari LED diatur melalui nilai PWM mikrokontroler (OCR0) yang masuk ke JP4. Semakin besar nilai PWM, maka nyala LED akan semakin terang dan sebaliknya. 3
Sistem kompensasi pada sistem pengaturan iluminasi didasarkan pada mekanisme feedback, dimana akan dibandingkan level pencahayaan total dalam ruangan terhadap nilai set point yang diinginkan. Pada mekanisme feedback digunakan sensor berupa LDR yang terletak tepat dibawah sumber cahaya kombinasi untuk mengetahui jumlah cahaya yang harus dikompensasi oleh ultrabright LED. Sistem kontrol iluminasi menggunakan metode kontrol proporsional Gambar 3.9 Sistem minimum ATmega16 Minimum sistem ATmega16 selain digunakan sebagai kontrol iluminasi ruangan, juga digunakan sebagai kontrol untuk pergerakan motor DC. Gambar 3.10 Rangkaian sensor LDR untuk ruangan Satu buah sensor LDR untuk ruangan diletakkan di bawah ruangan. Sensor ini bertujuan untuk mendeteksi nilai intensitas cahaya ruangan. Cahaya yang dideteksi merupakan cahaya kombinasi antara cahaya alami dan cahaya buatan. Set point Perancangan software kontrol iluminasi + Eror - Kontroler Driver LED Ultrabright LED Cahaya serat optik Iluminasi Ruangan terkontrol IV. PENGUJIAN ALAT Pada proses pengujian dilakukan antara lain pengujian efisiensi pencahayaan menggunakan serat optik, pengujian mekanik tracking matahari, dan pengujian sistem kontrol iluminasi pencahayaan hybrid. 4.1 Efisiensi pencahayaan menggunakan serat optik Untuk mendapatkan nilai efisiensi tiap bagian dari sistem pencahayaan buatan menggunakan serat optik, dilakukan pengukuran nilai intensitas cahaya pada beberapa titik menggunakan luxmeter. Bagian yang diukur antara lain intensitas cahaya matahari, cahaya yang dipantulkan oleh secondary mirror, cahaya yang terfokuskan oleh parabola, dan cahaya keluaran dari serat optik. Berikut adalah data intensitas cahaya yang diukur pada beberapa titik pada pukul 09.30 pagi. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik yang telah dibuat. Intensitas matahari langsung 1 4 Keluaran serat optik matahari 2 Fokus parabola Fokus pantulan cermin datar Gambar 4.1 Gambar rangkaian pengujian nilai efisiensi sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik Tabel 4.1 Data intensitas cahaya yang diukur pada beberapa titik 3 Sensor LDR Gambar 3.11 Diagram alir sistem pengaturan iluminasi ruangan Dari tabel di atas, efisiensi adalah 0,45 atau 45%. Efisiensi di dapat dari pembagian antara keluaran serat optik dengan fokus pantulan. 4
4.2 Pengujian mekanik tracking matahari Pengujian Mekanik tracking matahari dilakukan dengan menggunakan sinar buatan berupa lampu bohlam. Pengujian dengan lampu bohlam bisa berjalan normal dan bisa memposisikan parabola kolektor-cahaya menghadap ke lampu bohlam. Hasil pengujian Mekanik tracking matahari adalah sebagai berikut : Arus maksimal motor atas pada saat bergerak vertikal ke atas adalah 150mA dengan tegangan motor adalah 7 volt, sehingga daya motor maksimal adalah : P DC = v.i = 7.0,15 = 1,05 watt, sedangkan arus minimal motor atas pada saat bergerak vertikal ke bawah adalah 25mA dengan tegangan motor adalah 10 volt, sehingga daya motor minimal adalah : P DC = v.i = 10.0,025 = 0,25 watt 4.3 Pengujian karakterisasi ultrabright LED Berikut adalah gambar grafik hubungan arus kemudi dengan intensitas cahaya LED. Gambar 4.3 menunjukkan bahwa tegangan output sensor yang terbaca oleh ADC adalah sebesar 71 dengan intensitas cahaya ruangan adalah 200 lux. Nilai ADC ini digunakan sebagai set point. 4.5 Pengujian PWM terhadap intensitas cahaya Ultrabright LED Gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai PWM maksimal akan menghasilkan intensitas cahaya LED maksimal yaitu 202 lux. Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai PWM terhadap intensitas cahaya LED 4.6 Pengujian sistem kontrol iluminasi pencahayaan hybrid. Tabel 4.2 Hasil pengujian eror steady state pengaturan intensitas cahaya dengan nilai set point 37,5 lux Gambar 4.2 Grafik Pengaruh arus kemudi terhadap intensitas cahaya LED Gambar 4.2 menunjukkan bahwa semakin besar nilai arus kemudi LED maka intensitas cahaya akan semakin besar. Nilai arus kemudi maksimal dari LED untuk desain ini adalah 470mA. 4.4 Pengujian sensor LDR Cahaya serat optik (lux) Iluminasi ruangan total dalam ruangan (lux) Eror (lux) 1,8 37,5 0,0 2,4 37,4 0,1 3,1 37,4 0,1 4,3 37,2 0,3 5,3 37 0,5 6,8 37,1 0,4 9 36,9 0,6 11 36,5 1,0 13 35,3 2,2 15 35,2 2,3 22 34,5 3,0 26 34,2 3,3 31 33,9 3,6 Eror rata-rata 1,34 Gambar 4.3 Grafik Perbandingan intensitas cahaya terhadap tegangan output sensor 5
42 39 36 33 30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0 0 4 8 12 16 20 24 Gambar 4.5 Grafik perbandingan nilai set point dengan iluminasi total ruangan Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui tingkat performansi dari pengaturan iluminasi dengan parameter nilai eror steady state (Ess) yang dihasilkan. Penentuan performansi suatu pengaturan didasarkan pada beberapa parameter antara lain eror steady state yang didefinisikan sebagai kesalahan tunak selisih antara nilai set point dengan nilai akhir pada keadaan tunak. Pengujian performansi dilakukan dengan cara memberikan variasi intensitas cahaya masukan dari serat optik yang kemudian dilakukan pengamatan intensitas cahaya total akhir dalam ruangan. Pengujian juga dilakukan untuk membandingkan intensitas cahaya lampu LED dengan lampu bohlam dan lampu hemat energi (LHE) yang diukur pada jarak yang sama. Dari pengujian didapatkan data pada tabel 4.7 sebagai berikut : Tabel 4.3 Hasil pengujian hubungan intensitas cahaya Jenis lampu Intensitas cahaya (lux) Bohlam 90 Lampu LHE 95 LED 200 28 32 Daya (Watt) 10 8 4,9 untuk kebutuhan kompensator pada pencahayaan hybrid digunakan sinyal PWM sebagai metode pengaturan intensitas cahaya dari ultrabright LED. 4. Daya motor maksimal 1,05 watt terjadi pada saat motor atas bergerak ke atas, sedangkan daya motor minimal 0,25 watt terjadi pada saat motor atas bergerak ke bawah. 5. Pemakaian LED sebagai penerangan lebih efisien dibandingkan dengan jenis lampu lain. 5.2 Saran 1. Untuk meningkatkan efisiensi cahaya serat optik sebagai pengganti cermin datar dapat digunakan cermin berbentuk elips atau hiperbolik yang secara teoritis dapat meningkatkan cahaya terkopling ke serat optik. 2. Penggunaan metode kontrol yang lengkap seperti PID kontroler untuk kontrol iluminasi yang secara teoritis akan menghasilkan eror steady state yang lebih kecil. DAFTAR PUSTAKA [1] Jeff D Muhs, Design and Analysis of Hybrid Solar Lighting and Full Spectrum Solar Energy System. Oak Ridge National Laboratory. ASME Paper number 33 [2] Jeff D Muhs. Hybrid Solar Lighting Doubles the Efficiency and Affordability of Solar Energy in Commercial Building. Oak Ridge National Laboratory Newsletter No. 4. March 2003. [3] Muhaimin. 2001. Teknologi Pencahayaan. Bandung. PT. Refika Aditama. [4]... Atmega16 datasheet, Atmel Corporation [5] Luxeon K2 datasheet, Philips Corporation V. PENUTUP 5. 1 Kesimpulan 1. Telah dibuat sistem pencahayaan hybrid yang menggabungkan sistem pencahayaan alami dari serat optik dan sistem pencahayaan buatan dari ultrabright LED dengan sistem pencahayaan alami terdiri dari primary colector berupa parabolic dish concentrator dengan diameter 35 cm, dan secondary colector berupa cermin datar dengan diameter 12 cm sebagai kopling cahaya ke serat optik dengan efisiensi 45%.. 2. Sistem pencahayaan hybrid yang telah dirancang mampu memberikan pencahayaan ruangan yang konstan dengan rata-rata eror steady state sebesar 3,57% atau 1,34 lux. 3. Sistem pencahayaan buatan menggunakan ultrabright LED menghasilkan intensitas cahaya sebesar 37,5 lux yang diukur pada jarak 50 cm dari sumber cahaya, 6
RIWAYAT PENULIS Penulis dilahirkan di Lamongan pada tanggal 20 Februari 1986. Anak kelima dari lima bersaudara dari pasangan Djani dan Sukaeni. Penulis masuk di jurusan teknik elektro ITS tahun 2005 melalui jalur SPMB. Selama menjadi mahasiswa penulis aktif mengikuti kompetisi-kompetisi tingkat nasional. Diantaranya penulis pernah menjadi finalis LCEN 2009 (Lomba Cipta Elektroteknik Nasional) di ITS, Juara 1 Electrical Engineering Award di ITB, dan Juara 2 Lomba Bussiness Plan di ITS. Penulis juga aktif sebagai trainer pelatihan robot untuk mahasiswa dan SMA/SMP. Di bidang akademik penulis aktif sebagai koordinator dan asisten praktikum di Laboratorium Elektronika Dasar dan Laboratorium Elektronika Industri. Selain itu penulis juga suka dengan kegiatan-kegiatan yang berhubungan dengan bisnis. Riwayat pendidikan penulis adalah sebagai berikut : Teknik Elektro ITS SMA Negeri 1 Lamongan SMP Negeri 1 Glagah-Lamongan SD Negeri Glagah 2-Lamongan Penulis bisa dihubungi melalui email : henribagja@yahoo.co.id atau melalui alamat : Jln. Glagah Kulon NO.11 Glagah-Lamongan 62292, JATIM. 7