## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467

## Prototype Set Praktikum Wireless Power Transfer (WPT) dengan teknik Magnetik Resonant Coupling
Prototype Wireless Power Transfer (WPT) with Magnetic Resonant Coupling technique for practicum
Heriansyah 1* , Fades br. Gultom 1 , Refpo Rahman 1 , Irkhos 2
1* DIII Laboratorium sains, Universitas Bengkulu, Bengkulu, Indonesia
2 Fisika, Universitas Bengkulu, Bengkulu, Indonesia
Email: heriansyah@unib.ac.id

## ABSTRAK
Pemanfaatan  teknologi  Wireless  Power  Transfer  (WPT) memiliki  potensi  yang  besar  di  dalam  kehidupan.  Ada  6  teknik WPT, salah  satunya  magnetic  resonant  coupling.  Teknik  ini  memiliki  prinsip  interaksi  inductive  coupling  dan  resonance  pada kumparan. Prinsip kerja teknik tersebut adalah adanya pengaruh induksi magnetik pada dua kumparan yang memiliki frekuensi resonansi yang sama sehingga dapat mentransmisikan energi dari kumparan satu ke lainnya secara efisien. Rangakaian yang digunakan  dalam  WPT  adalah  rangkaian  RLC  seri  dengan  koil  berupa  circular  flat  spiral.  Nilai  induktansi  diri  dari  3  koil  yang digunakan masing-masing 20 µH, 130 µH, dan 230 µH. Efisiensi daya pada WPT meningkat dengan meningkatnya induktansi diri  koil.  Frekuensi  resonansi  untuk  tiap  koil  masing  masing  berada  pada  rentang  70-80  kHz  untuk  koil  dengan  induktansi  20 µH, 30 kHz untuk koil dengan induktansi 130 µH, dan sekitar 20 kHz untuk koil dengan dengan induktansi 230 µH
Kata Kunci: Wireless Power Transfer, magnetic resonant coupling, Set Praktikum

## ABSTRACT
The use of Wireless Power Transfer (WPT) technology has great potential in life. There are 6 WPT techniques, one of them is magnetic  resonant  coupling.  This  technique  has  the  principle  of  inductive  coupling  and  resonance  interaction  on  the  coil.  The working principle of this technique is the effect of magnetic induction on two coils that have the same resonant frequency so that they  can  transmit  energy  from  one  coil  to  another  efficiently.  The  circuit  used  in  the  WPT  is  a  series  RLC  with  a  circular  flat spiral coil. The self-inductance values of the 3 coils used were 20 µH, 130 µH, and 230 µH, respectively. The power efficiency at WPT increases  as the self-inductance  of the coil increases. Resonance frequencies for each coil  are in the range  of 70-80 kHz for coils  with an inductance of 20  µH, 30 kHz for coils with an inductance of 130  µH, and around 20 kHz for  coils with an inductance of 230 µH, respectively.
Keyword: Wireless Power Transfer, magnetic resonant coupling, Practicum set up

## PENDAHULUAN
Pemanfaatan energi listrik tanpa kabel atau dikenal  dengan  teknologi  Wireless  Power Transfer  (WPT),  memiliki  potensi  yang  besar  di dalam  kehidupan.  WPT  dengan  keunggulan tanpa  menggunakan  kabel  sangat  potensial digunakan  pada  beberapa  devais  elektronik,
industri kesehatan, dan otomotif. Saat ini banyak perusahaan smartphone menggunakan teknologi WPT sebagai inovasi wireless charging. Pemanfaatan teknologi WPT bertujuan untuk  penggunaan  peralatan  elektronik  secara efisien termasuk mengurangi terjadinya dissipasi energi pada prses transmisi.
Dalam

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
penggunaannya, WPT sangat bergantung dengan jangkauan untuk mentransfer energi.
Wireless  Power  Transfer  (WPT)  dibedakan dalam  katagori  teknik  transfer,  yaitu  teknik jangkauan dekat yang terdiri dari Elelctromagnetic  Radiation,  Inductive  Coupling, Magnetic Resonant Coupling. Sedangkan teknik jangkauan  jauh  terdiri  dari  Microwave  Power Transmission  dan  Laser  Power  Transmission (Shidujaman,  Samani,  &  Arif,  2014).  Sejumlah aplikasi  menggunakan  teknik  jangkauan  dekat karena  tingkat  efisiensi  transmisi  lebih  tinggi. Selain  jarak  jangkauan,  efisensi  WPT  juga dipengaruhi oleh desain koil (Samphat, Alphones, & Shimasaki, 2016) (Ali, Yasin, Husin, &  Hambali,  2019).  Prinsip  kerja  WPT  adalah dengan adanya pengaruh medan magnetik yang dihasilkan  oleh  kumparan/ lilitan  kawat  tembaga yang  dialiri  oleh  arus  listrik  bolak-balik.  Medan magnetik  akan  melakukan  transfer  energi menuju  kumparan  yang  lain  sebagai  penerima, hal  ini  disebabkan  kedua  kumparan  yang memeiliki  frukensi  yang  sama  atau  dikenal dengan  “coupled  resonance”  (Saifudin,  Saha, Islam, & Ahkand, 2014).
Saat  ini,  telah  banyak  kajian  mengenai WPT  terutama  pemanfaatan  sistem  resonansi berpasangan/ coupled resonance. Pada pemanfaatan WPT menggunakan sistem coupled  resonance,  jangkauan  antara  koil transmitter  dan  receiver  akan  mempengaruhi signifikansi  transfer  energi  (Akbar,  Bukhari, Sheikh,  Murtazza,  &  Shah,  2019)  (Supriyanto  & Wulandari,  2015).  Namun,  efisiensi  transfer energi  dapat  ditingkatkan  menggunakan  teknik magnetic resonat coupling. Pemahaman terhadap  proses  transfer  energi  menggunakan teknik  magnetic  resonat  coupling  menjadi penting  teruatama  bagi  pelajar  agar  memahami prinsip  kerjanya,  sehingga  dapat  merangsang pelajar untuk termotivasi mengembangkan inovasi  yang  menggunakan  teknologi  WPT. Dalam  meningkatkan  pemahaman  pelajar  maka
sangat perlu dilakukan ekspeimen lab mengenai WPT.  Pada  eksperimen  WPT  tersebut  akan memberikan pemahaman pelajar untuk mengetahui pengaruh frekuensi resonansi dalam WPT (Bergmann, Durr, & Rockstuhl, 2019).
Pada  penelitian  sebelumnya,  eksperimen WPT dengan  teknik magentic  resonant  coupling menggunakan  topografi  berbentuk thin  circular coil (Bergmann,  Durr,  &  Rockstuhl,  2019).  Pada penelitian  ini  dirancang  prototype  set  praktikum wireless  Power  Transfer  (WPT)  dengan  teknik Magnetic  Resonant  Coupling dan  penggunaan topografi circular  flat  spiral .  Prototype  set praktikum  ini  dirancang  untuk  membuat  siswa belajar  mengenai  prinsip  listrik  tanpa  kabel terutama teknik resonance coupling menggunakan  topografi circular flat spiral .

## METODE PENELITIAN
Jenis  penelitian  ini  secara  umum  adalah perancangan  prototype  WPT  dengan  teknik magnetic  resonant  coupling .  Sistem  WPT  yang dirancang  terdiri  dari  rangkaian transmitter (pemancar)`dan receiver (penerima).  Langkah kerja  dilakukan  berdasarkan  diagram  alir  pada gambar  1.  Pada  tahap  pertama,  dibuatlah  koil berbentuk spiral dengan diameter kawat 0,7 mm dan  jarak  antar  lilitan  ±0  mm  serta  parameter lainnya yang  ditunjukkan pada tabel 1,
Sedangkan  rangkaian  yang  digunakan  adalah rangkaian  RLC  seri  dengan  nilai  r esitror  3,3  Ω dan  kapasitor  0,22  μF (Bergmann,  Durr,  & Rockstuhl,  2019).  Eksperimen  dilakukan  melalui ujicoba  menggunakan  frekuensi  generator  pada rentang  frekuensi  rendah  yakni  10 –  120  kHz. Pengambilan  data  berupa  tegangan  dan  arus pada  tiap  rangkaian  transmitter  dan  receiver dilakukan menggunakan multimeter tiap penambahan frekuensi 10 kHz. Skema rangkaian  ditunjukkan  pada  gambar  2.  Setelah data  tegangan  dan  arus  diperoleh  dilakukan analisis  dengan  membuat  grafik  untuk  melihat

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
pengaruh  frekuensi  terhadap  WPT.  kemudian dilakukan  pencarian  daya  untuk  menunjukkan tingkat  efisensi  dari  tiap  koil  dan  pengaruh frekuensi terhadap efisensi WPT.
Mulai Persiapan koil circular flat spiral 3 pasang circular flat  spiral coil dengan induktansi berbeda Persiapan rangkaian RLC Seri Pengujian WPT dengan tiap pasang coil Hasil memenuhi syarat Data tersimpan tidak stop ya
Gambar 1. Flowchart perancangan Prototype

## WPT
Tabel 1 Parameter koil circular flat spiral pada penelitian Identifikasi koil Lilitan (N) Diameter luar (Do) Induktansi diri (L) Koil 1 30 5,5 cm 20 µH Koil 2 54 9,7 cm 130 µH Koil 3 70 12,2 cm 230 µH
Gambar 2. Skema rangkaian WPT dengan
teknik magnetik resonant coupling

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  penelitian  ini  desain  koil  yang digunakan  struktur  koil circular  flat spiral yang bertujuan  untuk  meningkatkan  efesiensi  dari system  WPT.  Dalam  perancangan  koil  circular flat spiral ini perlu diperhatikan mengenai jumlah lilitan  pada  koil,  diameter  dalam  dan  luar  koil, jarak  antar  putaran  serta  diameter  dari  kawat yang  digunakan  untuk  membentuk  lilitan  koil. hasil  rancangan  koil  yang  dibuat  dapat  dilihat pada gambar 3. Aproksimasi nilai induktansi diri dari koil circular flat spiral memenuhi persamaan yang  dimodifikasi  melalui  formula  Wheeler  (Liu, Xia, & Yuan, 2018) berikut:
(      ( ( (
dengan L adalah induktansi diri satuan Henry, N adalah  Jumlah  lilitan,  Do  adalah  diemeter  luar satuan  meter,  Di  adalah  diameter  dalam  satuan meter,  w  adalah  diameter  kawat  satuan,  dan  p adalah jarak antar lilitan satuan meter.
Gambar  3  Hasil  pembuatan  koil  1,  koil  2,  dan koil 3

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
Rangkaian  seri  RLC  digunakan  pada rangakaian  transmitter  dan  receiver.  Rangkaian seri  RLC  transmitter  dihubungkan  dengan generator  frekuensi.  Kemudian,  pada  rangkaian seri RLC receiver juga menggunakan parameter resistor,  kapasitor  dan  koil  yang  sama.  Dalam pengukuran digunakan multimeter untuk mengukur  arus  dan  tegangan  yang  dimiliki  oleh rangkaian  transmitter  dan  receiver.  Gambar rangkaian dapat dilihat pada gambar 4:
Gambar  4.  Rangkaian  WPT  dengan  teknik magnetic resonant coupling
Eksperimen  WPT  menggunakan  teknik magnetic  resonant  coupling  bertujuan  untuk menunjukkan  transfer  energi  yang  dipengaruhi oleh  frekuensi.  Dengan  memahami  pengaruh frekuensi terhadap transfer energi maka, mudah untuk  membuat  atau  menghasilkan  koil  dengan parameter  tertentu  dengan  harapan  transfer energi  yang  paling  efisien.    Frekuensi  yang mempengaruhi efesiensi tersebut adalah frekuensi resonansi.
Frekeunsi  resonansi  terjadi  pada  suatu rangakain  bolak  balik  (AC)  yang  terdiri  dari inductor  dan  kapasitor  didalam  rangkaainnya. Frekuensi  resonansi  terjadi  apabila  nilai  dari kapasitansi dan induktansi sama, yakni XL =Xc . Akibat dari frekuensi  resonansi  maka  impedansi rangkaian  akan  menjadi  sama  dengan  nilai resitansi  ( Z=R ).  Aproksimasi  besar  frekuensi resonasi  dapat  diperoleh  melalui  persamaan berikut:.

## √ (
Sifat  resonansi  dari  rangkaian  WPT  dapat dilihat  melalui  hasil  pengukuran  tegangan  dan arus yang melewati rangkaian. Resonansi terjadi pada  rangkaian  RLC  Ketika  tegangan  pada induktor/koil  dan  kapasitor  menjadi  nol.  Hal tersebut  terjadi  karena  reaktansi  pada  kapsitor dan  koil  saling  meniadakan  sehingga  tegangan hanya ada pada resistansi.
Pada  koil  1  diperoleh  frekuensi  ada  pada rentang 70-80 kHz. Jika menggunakan aproksimasi  nilai  frekuensi  resonasi  pada persamaan  maka  diperoleh  76  kHz  Daya  listrik diukur  berdasarkan  hasil  data  pengukuran tegangan  dan  arus.  Gambar  5  menunjukkan grafik  hubungan  daya  pada  transmitter  dan receiver pada koil 1.
Gambar  5.  Grafik  hubungan  daya  pada transmitter  dan  receiver  pada  koil  1  terhadap frekuensi.
Pada  koil  2  diperoleh  frekuensi  ada  pada rentang 30 kHz. Jika menggunakan aproksimasi nilai  frekuensi  resonasi  pada  persamaan  maka diperoleh  29,7  kHz.  Grafik  pengukuran  daya pada transmitter dan receiver dapat dilihat pada gambar 6.

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
Gambar  6.  Grafik  hubungan  daya  pada transmitter  dan  receiver  pada  koil  2  terhadap frekuensi
Pada  koil  3  diperoleh  frekuensi  ada  pada rentang 20 kHz. Jika menggunakan aproksimasi nilai  frekuensi  resonasi  pada  persamaan  maka diperoleh  22,4  kHz.  Grafik  pengukuran  daya pada transmitter dan receiver dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar  7.  Grafik  hubungan  daya  pada transmitter  dan  receiver  pada  koil  3  terhadap frekuensi.
Dari ketiga koil diperoleh bahwa percobaan menggunakan set praktikum WPT telah berhasil untuk  melihat  terjadinya  frekuensi  resonansi pada rangkaian transmitter dan receiver. Namun data  yang  diperoleh  cukup  kecil  karena tegangan  yang  diukur  dalam  satuan  mili  volt (mV)  dan  arus  dengan  satuan  mikro  ampere (µA).  .  Hal  ini  terjadi  karena  generator  function yang  digunakan  tidak  memiliki  power  amplifier. Frekuensi  generator  yang  tidak  memiliki  power
amplifier,  tidak  memiliki  cukup  daya  untuk menghidupkan  lampu  atau  komponen  output load.  Oleh  karena  itu  nilai  daya  yang  diterima pada  receiver  tidak  begitu  besar  dengan efisiensi  kurang  dari  12  %.  Nilai  efisiensi  dari ketiga koil dapat dilihat dari tabel 2
Tabel  2  efesiensi  pada  tiap  koil  terhadap frekuensi Frekuensi (kHz) Koil 1 Koil 2 Koil 3 10000 5,70 6,62 10,70 20000 5,74 6,76 11,60 30000 5,84 7,39 10,88 40000 5,48 6,63 11,18 50000 5,70 6,78 9,87 60000 5,66 6,67 10,76 70000 7,20 6,73 10,86 80000 7,10 6,79 10,94 90000 5,82 6,84 11,20 100000 5,86 6,78 11,11
Dari  data  tabel  yang  diperoleh  bahwa efisensi ketiga koil akan sesuai dengan frekuensi resonansi, dimana efisiensi tertinggi terlihat pada frekuensi  resonansi  untuk  tiap  koil.  Kemudian, efisiensi meningkat dengan meningkatnya induktansi  diri  koil.  Koil  3  memiliki  efisensi dengan  nilai  paling  tinggi  dengan  kisaran  9-11 %.  Sedangakan  koil  1  memiliki  efisiensi  paling rendah  dengan  kisaran  5-7  %.  Dengan meningkatnya  induktansi  diri,    maka  akan meningkatkan coupling pada  medan  magnet  di kedua  koil.  Efesiensi  WPT  pada  tiap  koil bergantung dengan nilai induktansi dari tiap koil. Induktansi pada circular flat coil akan meningkat dengan  meningkatnya  ukuran  dari  koil.  Pada penelitian  lain,  ukuran  koil  dapat  dikurangi dengan  mengurangi  jumlah lilitan  dan  ketebalan kawat  namun  dilakukan  pada  frekuensi  tinggi (Kim, Kim , & Park, 2016).
Kelemahan  pada  penelitian  ini  adalah instrumen function  generator belum  memiliki amplifier,  sehingga  daya  luaran  pada  rangkaian transmitter  dan  receiver  sangat  kecil.  Pada

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
penelitian  sebelumnya, function  generator yang digunakan  memiliki  amplifier  sehingga  efisiensi daya  dapat  ditemukan  perbedaan  signifikan untuk  frekuensi  resonansi  (Bergmann,  Durr,  & Rockstuhl, 2019).

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian yang dilakukan dapat  dismpulkan  bahwa  set  praktikum  WPT dengan teknik magnetic resonant coupling dapat digunakan  untuk  percobaan.  Meskipun  data yang  dihasilkan  cukup  kecil  namun  bisa menyimpulkan  sifat  resonansi  pada  WPT. Rangkaian  yang  digunakan  adalah  rangkaian RLC seri dengan parameter nilai resistor 3,3 Ω, kapasitor 220 nF, dan tiap koil dengan nilai yang berbeda.    Penelitian  ini  menggunakan  3  koil circular  flat  spiral  dengan  nilai  induktansi  diri masing-masing  20  µH,  130  µH,  dan  230  µH. Hasil  observasi  daya  pada  transmitter  dan receiver  diperoleh  bahwa,  koil  1  memiliki frekuensi  resonansi  pada  rentang  frekuensi  70- 80 kHz, sedangakan koil 2 pada rentang 30 kHz, dan  koil  3  ada  pada  rentang  20  kHz.  Efisiensi daya  pada  WPT  untuk  tiap  koil  meningkat dengan  meningkatnya  induktansi  diri.  Besar efisiensi  dari  ketiga  koil  bernilai  kurang  dari 12 %.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Kepada  Universitas  Bengkulu  sebagai penyandang  dana  pada  penelitian  pembinaan dana  PNBP  LPPM  tahun  2020  dengan  nomor kontrak 2034/UN30.15/PG/2020.

## DAFTAR PUSTAKA
Akbar, G., Bukhari, S., Sheikh, H., Murtazza, S.,
&  Shah,  A.  (2019).  Implication  of Wireless  Power  Trasnfer  for  Low  Power Appliances. International  Journal  of Innovative  Technology  and  Exploring Enginering (IJITEE), 8 (9), 1830-1834. Ali, A., Yasin, M. N., Husin, M. S., & Hambali, N. A.  (2019).  Design  and  analysis  of  2-coil wireless  power  transfer  (WPT)  using magnetic coupling
technique. .
International Journal of Power Electronic and  Drive  System  (IJPED),  10 (2),  611- 616.
Bergmann,  A.,  Durr,  E.,  &  Rockstuhl,  C. (2019).
Wireless  power  transfer  experiments  for a  high-school  physics  lab  . Phys.  Educ, 54 , 1-6.
Liu, X., Xia, C., & Yuan, X. (2018). Study of  the Circular  Flat  Spiral  Coil  Structure  Effect on  Wireless  Power  Transfer  System Performance. Energies, 11 (2875), 1-21.
Kim, D., Kim , J., & Park, Y. (2016). Optimization and  Design  of  Small  Circular  Coils  in  a Magnetically  Coupled  Wireless  Power Transfer  System  in  the  Megahertz Frequency. IEEE Transactions on Microwave  Theory  and  Techniques, 64 (8), 2652-2663.
Saifudin,  M.,  Saha,  T.,  Islam,  M.,  &  Ahkand,  M.
M. (2014). Wireless Power Transmission Compare and Contrast with the Form of Resonance Frequency, Mutual Inductancy, and Solar Energy.
International  Journal  of  Engineering Research and Aplications, 4 (10), 66-96. Samphat,  J.,  Alphones,  A.,  &  Shimasaki,  H.
(2016).  Coil  design  Guidelines  for  High Efficiency  of  Wireless  Power  Transfer (WPT). IEEE  Region  10  Conference (TENCON)-Proceedings of the International Conferenece. Shidujaman,  M.,  Samani,  H.,  &  Arif,  M.  (2014). Wireless  Power  Transmission  Trends. International  Conference  on  Informatics,
Electronics  &  Vision  (ICIEV) ,  (pp.  1-6). Dhaka.

## JIFP (Jurnal Ilmu Fisika dan Pembelajarannya)
http://jurnal.radenfatah.ac.id/index.php/jifp/index Vol. 4, No. 2,  Desember 2020, 52 - 58
ISSN (print): 2614-7467
Supriyanto, T., & Wulandari, A. (2015). Rancang
Bangun Wireless Power Transfer Menggunakan  Metode  Multi-Magnetic Resonantor Coupling.
Politeknologi,
14 (2), 1-6.