## Simulasi Kopling Magnetik Transfer Energi Nirkabel

## ( Wireless Power Transfer )
Affan Bachri, Zainal Abidin *)
*) Program Studi Teknik Elektro Universitas Islam Lamongan

## Abstrak
Salah  satu  metode  untuk  menyalurkan  energi  tanpa  kabel  adalah  denga  kopling  induksi magnetik.  Secara  umum  tembaga  sebagai  unsur  paling  penting  dalam  menghasilkan  fluks magnetik  dalam  bentuk  koil  atau  kumparan.  Tembaga  tersebut  digunakan  sebagai  media transfer listrik karena bahannya yang terdiri atas banyak elektron yang bisa bergerak bebas. Simulasi kopling magnetik dengan Multisim 12.00 menunjukkan bahwa kumparan pemancar ( tranciever ) menginduksi kumparan penerima ( receiver ) dan terjadi transfer energi.
Kata kunci : kopling magnetik, transfer energi nirkabel, multisim

## Abstract
One method  for energy transfer wireless is magnetic induction couplings. In general, copper is  the  most  important  element  in  producing  magnetic  flux  in  the  form  of  coils  or  coils. Copper  is  used  as  an  electrical  transfer  media  because  the  material  consists  of  many electrons  that  can  move  freely.  Magnetic  coupling  simulation  with  Multisim  12.00  shows that the transmitter coil induces a receiver coil and energy transfer occurs.
Keywords: magnetic coupling, wireless energy transfer, multisim

## PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  energi  listrik  sudah menjadi  kebutuhan  primer  bagi  manusia,  dalam setiap  bidang  energi  listrik  menjadi  kebutuhan utama  penunjang  energi  pada  sistem.  Sumber- sumber  energi  dikembangkan  mulai  dari  sumber energi minyak bumi dan batu bara hingga energi terbarukan  dalam  setiap  aspek  dalam  usaha konversi  energi  listrik.  Dalam  upaya  untuk melakukan  efisiensi  dan  kemudahan  dalam transformasi  energi,  telah  mulai  dikembangkan kembali  penyaluran  energi  tanpa  kabel  ( wireless power transfer ).
Salah  satu  metode  untuk  menyalurkan energi tanpa kabel adalah denga kopling induksi magnetik.  Secara  umum  tembaga  sebagai  unsur paling  penting  dalam  menghasilkan  fluks magnetik  dalam  bentuk  koil  atau  kumparan. Tembaga  tersebut  digunakan  sebagai  media transfer listrik karena bahannya yang  terdiri atas banyak  elektron  yang  bisa  bergerak  bebas.  Pada saat tembaga dihubungkan dengan sumber listrik aliran elektron dapat bergerak dengan bebas pada bahan tersebut. Namun seiring dengan
perkembangan teknologi saat ini telah dikembangkan  transfer  daya  listrik  nirkabel. Selain  meningkatkan  kepraktisan  hal  ini  juga dapat  menjadi  penghematan  terhadap  bahan bahan  untuk  pembuatan  kabel  sebagai  media penyaluran daya. [1]
Kopling  magnetik  merupakan  teknologi tanpa yang paling banyak digunakan; Aplikasinya  meliputi  pengisian  perangkat genggam  seperti  telepon  tag  RFID,  dan  pengisi daya  untuk  peralatan  medis implant seperti  alat pacu  jantung  buatan,  ataupun  kendaraan  listrik. [1]  dan  [3]  .  Dalam  teknik  medan  jauh  atau radiasi,  atau  juga  disebut power  beam ,  daya dipindahkan  oleh  sinar  radiasi  elektromagnetik seperti gelombang mikro atau sinal laser. Teknik ini bisa mentransfer energi jarak jauh akan tetapi harus diarahkan ke penerima ( receiver ) .

## METODOLOGI
Metode  yang  dibangun  dalam  diskusi  ini  adalah mengimplementasikan  metode  sederhana  dari kopling  magnetik  dengan  model  simulasi Multisim.

## Skematik Blok Transfer Energi Nirkabel

## Gambar 1.  Diagram Blok Sistem WPT
Dari  gambar  1,  sistem  utama  pembentukan sistem  kopling  magnetik  dalam  transfer  energi nirkabel  ( wireless  power  transfer )  adalah pemancar  magnetik  ( tranciever )  ,  penerima (receiver) dan beban ( load ).
Beberapa  teori  mendasar  dalam  kopling magnetik  adalah  terjadinya  resonansi  frekuensi dan  nilai  kuat  medan  magnet  yang  sama  pada kedua kumparan (koil).
Pada kumparan besar medan magnet adalah :
..........................(1)
Nilai frekuensi pada kumparan :
............................(2)
Faktor kualitas pada resonator kumparan :
√ ...........................(3)
Dimana : B = kuat medan (wb/m 2 )  o= permeabilitas ( 4  x10 -7 ) I  = kuat arus listrik (A) N = jumlah lilitan l = panjang kumparan f = frekuensi (Hz) L = induktansi (Henry) C = Kapasitor Q = faktor kualitas
Gaya magnet pada kumparan :
E mg = qv x B .........................(4)
E mg = Gaya Magnet B   = Kuat medan q   = muatan
Fluk magnet pada kumparan :
 = B. A .....................(5)
 = fluks
A = luas permukaan
Gambar 2. Induktansi bersama
Gaya gerak listrik induksi selalu membangkitkan  arus  yang  medan  magnetnya berlawanan  dengan  sumber  perubahan  fluks magnetik ( Hukum Lenz ).
Perubahan fluks disebabkan : a. Koil  tidak  berubah  terhadap  fluks  dan magnetik fluk berubah terhadap waktu
b. Fluk  tidak  berubah  terhadap  waktu  dan  koil bergerak pada fluk tersebut.
c. Kedua perubahan tersebut muncul bersamaan, koil  bergerak  dalam  waktu  yang  terus berjalan.
Kumparan  pada  pemancar  (tranciever)  akan menghasilkan  fluk  terhadap  waktu  yang menginduksi kumparan kedua ( receiver ) sehingga  muncul  arus  induksi  pada  kumparan kedua  sehingga  akan  menghasilkan  transfer energi pada kedua kumparan tersebut [8].
Model  kopling  magnetik  tersebut  salah satunya dapat dijelaskan
dengan mengimplementasikan  simulasi  dalam  software Multisim.Adapun  model  desain  dapat  dilihat pada gambar 2 berikut :
Gambar 3. Diagram Blok Pengujian Kopling Magnetik dengan Simulink
T1 10:10 C1 10µF C2 10µF D1 1B4B42 3 1 4 2 XSC1 A B Ext Trig + + _ _ + _ XSC2 A B Ext Trig + + _ _ + _ XSC3 A B Ext Trig + + _ _ + _ XFG1 XMM1 U1 DC  1e-009Ohm 0 A + - U2 DC  1e-009Ohm 133.385 A + - C3 5µF Z1 Z = A + j B XMM2 Pemancar ( Transcieve
r ) Penerima ( Receiver )
Beban
(Load )
Alat dan Bahan simulasi :
- Sumber : Generator Fungsi
- Voltmeter
- Osiloskop
- Ammeter
- Trafo dengan perbandingan 10:10
- Diode Bridge
- C1, C2 = 10uF
- C3 = 5uF

## HASIL SIMULASI DAN PEMBAHASAN
Hasil Output Osiloskop pada sisi Primer
Gambar 4. Sinyal Output Osiloskop I pada sisi pemancar induktif
Gambar 4 menunjukkan bahwa pulsa sinus yang dibangkitkan dari generator pulsa yang  mengalir menghasilkan arus dengan gelombang sinus yang menginduksi  kumparan  pada  sisi  pemancar ( tranciever ).

## Gambar 5. Sinyal Output Osiloskop II pada sisi penerima induktif
Gambar  5  menunjukkan    kumparan  pemancar menginduksi kumparan kedua (receiver) sehingga terjadi kopling magnetik. Tegangan dan arus  juga  memiliki  gelombang  sinus  yang
memiliki  nilai  yang  sama  dengan  sisi  pemancar ( tranciever ).

## Gambar 6. Sinyal output Osiloskop pada Beban
Gambar    6  adalah  deteksi sinyal  pada  sisi beban    yang  merupakan  konversi  gelombang sinus ke gelombang arus searah (DC) yang akan ditransfer ke beban.

## Setting Generator Fungsi
Gambar 7. Setting Generator Fungsi Output Tegangan Pada Voltmeter Sisi Pemancar dan Penerima
Gambar 8. Hasil Ukur Tegangan pada sisi Pemancar (Primer)
Gambar  8  adalah  hasil  ukur  tegangan  pada  sisi pemancar ( tranciever ) dengan setting gelombang sinus  dari  generator  pulsa.  Gambar  9  juga menampilkan  tegangan  dengan  nilai  yang  sama dengan  pemancar  dikarenakan  jumlah  atau prosentase kumparan yang sama.

## Gambar 9. Hasil ukur Tegangan pada sisi Penerima (sekunder)
Pada  pengujian  sederhana  dengan  variasi perbedaan jarak antara  kumparan pemancar dan kumparan penerima.  Adapun pengujian tersebut dapat  dilihat  pada  tabel  hasil  penelitian sebelumnya sebagai berikut :

## Tabel 1. Pengujian sederhana pemancar dan penerima dengan variasi jarak
Jarak (cm) Vpp (AC) F (MHz) DC output 1.0 0.01 1.2 4.50 1.5 0.01 1.2 4.36 2.0 0.01 1.2 4.21 2.5 0.01 1.2 3.96 3.0 0.01 1.2 3.93 3.5 0.01 1.2 3.89 4.0 0.01 1.2 3.88 4.5 0.01 1.2 3.84 5.0 0.01 1.2 3.79 (sumber : Fareq, 2014)
Dari  tabel  pengujian  tersebut  dapat dijelaskan bahwa semakin ada penambahan jarak antara  pemancar  dan  penerima,  maka  nilai tegangan pada sisi beban semakin menurun.

## PENUTUP Kesimpulan
a. Simulasi  kopling  magnetik  menggunakan Multisim  menunjukkan    bahwa  terjadi  fluksi magnetik  pada  kumparan  sisi  primer (pemancar)  dan  menginduksi  sisi  sekunder
(penerima)  dan  terjadi  transfer  energi  pada kedua kumparan.
b. Semakin  jauh  jarak  antara  kumparan pemancar dan kumparan penerima, maka nilai transfer energi semakin kecil
Referensi :
[1]  Supriyadi*,  Edi  Rakhman,  Suyanto,  Arif Rahman, & Noor Cholis Basjaruddin, 2017. Transfer  Daya  Nirkabel  dengan  Kopling Induksi ,  Jurnal  Teknoka  :  Politeknik
Bandung [2]  M  Fareq,  M  Fitra,  M  Irwanto,  Syafruddin Hasan,M  Arinal.2014. Low  wireless  power transfer using Inductive Coupling for mobile phone charger . School of Electrical System
Engineering Universiti Malaysia Perlis [3] A.  Kumar,  ”WiTricity  :  Wireless  Power
Transfer By Non-radiative Method,”
International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT), 2014.
[4] E.  Wong,  ”A  Review  on  Technologies  for Wireless Electricity,” Hongkong, 2013.
[5]   S.  F.  Bush,  Smart  Grid:  Communication- Enabled  Intelligence  for  the  Electric  Power Grid, Wiley, 2014.
[6 ] A. Gopinath, ”All About Transferring Power Wirelessly,” Electronics  For  You  E-zine (EFY  Enterprises  Pvt.  Ltd.), pp.  52-56,  16 January 2015.
[7] Saputro,  Agus  Heru.2018. Desain  WPE dengan  Koil  /  Toroid  dan  Selenoid Menggunaan  Teknik  Resonansi  Induksi Elektromagnetik
[8]  Roncback  Oscar,  2013. Optimalized  of Wireless Power System . Master Thesis, Luka University of Technology Sweden
[9] Zhen Ning Low, “Design and Test of a High Power  High  Efficiency  Loosely  Coupled Planar Wireless  Power  Transfer  System” IEEE  transactions  on  industrial  electronics, vol. 56, no. 5, May 2009.
[10] K. Oguri, “Power supply coupler for battery charger”, US patent 6 356049, 2000.
[11] Y.  Yang  and  M.  Jovanavic,  “Contactless electrical  energy  transmission  system”,US Patent 6 301 128, 2000.
[12] H.  J.  Brockmann  and  H.  Turtiainen, “ Charger with inductive power transmission for  batteries  in  a  mobile  electrical  device ”,
US Patent 6 118249, 1999
[13] E.  Sazonov  och  M.  R.Neuman,  Wearable
Sensors: Fundamentals, Implementation and Applications, Elsevier, 2014.
[14] S.  Davis,  ” Wireless  power    inimizes interconnection problems ,”
Power Electronics  Technology  (Penton  Electronics
Group), pp. 10- 14, 2011. [15] R.Puers, Omnidirectional Inductive Powering for Biomedical Implants, Springer Science & Business Media, 2008.
[16] D.  C.  Giancoli,  Physics:  Principles  with Applications (Fifth ed.), New Jersey, United States: Pearson/Prentice Hall, 1998.
[17] T. V.Wilson, ”How Wireless Power Works,”
1  Juni  2014.  [Online].  [Diunduh  11  Juni 2017].
[18] S. S.Valtchee, E. N. Baikova och L. R.Jorge, ”Electromagnetic  Field as  the  Wireless
Transporter  of  Energy,” Facta  Universitatis Ser. Electrical  Engineering, vol.  25,  nr  3, pp. 171-181, 2012.
[19] I.  Darmawan,  ”Pengembangan Inverter  12 VDC  ke  220  VAC  50Hz  dengan  Penguat Akhir  H- Bridge  Mosfet,” Universitas Indonesia  Departemen  Teknik  Elektro, Depok, 2012.