26, Inovtek, Volume 4, Nomor 1, April 2014, hlm. 26 - 33

## PIEZOELECTRIC SEBAGAI ALTERNATIF CATU DAYA TAMBAHAN
PADA MOBIL LISTRIK
Ahmad Hendriawan, Dedid Cahya Happyanto Departemen Teknik Elektro Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp (+62)31-5947280, 5946114, Fax. (+62)31-5946114 Email: dedid@eepis-its.edu,

## Abstrak
Pemanfaatan piezoelektrik sebagai generator merupakan suatu upaya mendapatkan energi listrik  yang merujuk pada konsep harvesting energy yang hal ini merujuk pada pengembangan piezoelektrik sebagai generator yang mengubah getaran  yang    dihasilkan  mobil  listrik  menjadi  energi  listrik  yang  dapat  digunakan  pada  piranti  elektronik  berdaya rendah  ( low  power  devices ).  Getaran  merupakan  salah  satu  bentuk  energi  mekanik  yang  paling  sering  dijumpai  di mobil  listrik.  Banyak  sumber  energi  getaran  yang  tersedia  dan  dimanfaatkan  menjadi  dasar  pembuatan  catu  daya mikro  dengan  menggunakan  piezoelektrik.  Dari  hasil  pengujian  menunjukkan  bahwa  ada  pengaruh  terhadap pemberian  besarnya  tahanan  beban  pada  piezoelektrik,  semakin  besar  tahanan  beban  maka  tegangannya  juga semakin besar dan tahanan dibawah 20 K Ω tidak  ada  arus  yang mengalir. Piezoelektrik memiliki daya output  yang kecil  akan  tetapi  dengan  nilai  impedansi  internal  yang  tinggi.  Oleh  karena  penggunaan  piezoelektrik  sebagai generator memungkinkan untuk digunakan dalam teknologi pada bagian mobil listrik yang membutuhkan daya kecil.
Kata kunci : piezoelektrik, energy harvesting, low power devices,getaran

## Abstract
Benefit of a piezoelectric generator is an attempt to get electrical harvesting energy  refers  to the concept that this refers to the development of a piezoelectric generator that converts the vibrations produced electric cars into electric energy  that  can  be  used  in  low-power  electronic  devices  (low  power  devices)  .  Vibration  is  a  form  of  mechanical energy  that  is  most  often  found  in  electric  cars.  Many  sources  of  vibrational  energy available  and  utilized as  the basis of the manufacture of micro power supplies using piezoelectric. From the test results indicate that there is an influence on the amount of the provision on the piezoelectric load resistance , the greater the load resistance then the voltage  is  also  getting  bigger  and  resistance  under 20  KΩ  with  no  current  is  flowing  .  Piezoelectric  has  a  small output  power  but  with  high  internal  impedance  value.  Therefore,  the  use  of  a  piezoelectric  generator  allows  the technology to be used in electric car parts that require little power.
Keywords : piezoelectric energy harvesting, low-power devices, vibration

## PENDAHULUAN
Catu  daya  dengan  menggunakan  piezo- elektrik  memiliki  banyak  kelebihan  diban- dingkan dengan menggunakan bahan lainnya. Karena memiliki bentuk yang sederhana, sis- tem catu daya dengan piezoelektrik dapat di- buat  cukup  kecil  yang  disesuaikan  dengan bentuk  mekanik  dan  rangkaiannya  sehingga lebih efisien tidak membutuhkan ruang yang luas  untuk  penempatannya  termasuk  dapat ditempatkan  pada  mobil  listrik.  Kelebihan lainnya  adalah lifetime sistem  hampir  tidak terbatas  jika  tekanan  dan  temperatur  pada
sistem peralatan masih dalam kisaran opera- sional.  Sebagai  tambahan,  energi  mekanik yang  diperlukan  untuk  dikonversi  dapat  di- dapatkan dengan  mudah dari lingkungan  se- kitar  piezoelektrik  ditempatkan,  dengan  pe- nempatan  yang  tepat  maka  piezoelektrik dapat lebih banyak  menghasilkan  energi  lis- trik. Walaupun dengan semua kelebihan ter- sebut,  piezoelektrik  telah  diabaikan  sebagai pembangkit  listrik  karena  kecilnya  energi listrik  yang  dihasilkan.Piezoelektrik  sebagai catu  daya  mikro  telah  diaplikasikan  pada sepeda (Minazara, et al , 2014). Piezoelektrik
tersebut mampu menyalakan lampu LED ya- ng  menghasilkan  daya  kurang  dari  3,5  mW dimana  sepeda  bergerak  pada  kecepatan  5 meter  per  detik  dan  bergetar  pada  frekuensi rata-rata 12,5 Hz.
Dari  sisi yang lain  aplikasi piezoelektrik pada piranti ini agar dapat mengurangi berat baterai  dan  memungkinkan  untuk  membuat piranti  dapat  mencatu  daya  sendiri  dengan memanfaatkan  energi  mekanik  disekitarnya. Untuk  memaksimalkan  kelebihan  ini,  ter- dapat  beberapa  permasalahan  yang  perlu mendapat solusi yaitu disain catu daya deng- an  piezoelektrik  agar  didapatkan  energi  lis- trik yang dihasilkan optimal.

## BAHAN DAN METODE

## Piezoelektrik
Piezoelektrisitas  merupakan  kemampuan material  dalam  menghasilkan  energi  listrik pada  permukaannya  ketika  dikenakan  gaya pada  material  tersebut.  Material  yang  di- gunakan  dikenal  sebagai  piezoelektrik  yang tersusun  atas  molekul  kristal.  Piezoelektrik mampu  menghasilkan  energi  listrik  apabila dikenai  tekanan  maupun  regangan,  kemam- puan  inilah  yang  kemudian  akan  dimanfaat- kan  untuk  menghasilkan  energi  listrik  yang memanfaatkan tekanan dari benda yang ber- getar.
Gambar 1.  (a) Direct effect  (b) Converse effect Pada dasarnya piezoelektrik direct  effect adalah  efek  pada  piezoelektrik  sebagai  aki- bat dikenai suatu tekanan atau gaya sehingga menghasilkan dielectric  displacement (D)
yang  menunjukkan  besarnya  perpindahan energi  (perpindahan  proton  dan  electron) pada  molekul  kristal  yang  menghasilkan energi listrik (E). Sedangkan converse effect adalah  efek  dimana  terjadi  perubahan  volu- me  atau  terjadi  peregangan  (S)  pada  piezo- elektrik akibat diberikannya suatu energi lis- trik  (E).  Kedua  hal  tersebut  dapat  ditunjuk- kan ke dalam 2 persamaan di bawah ini :
Direct effect :
D  = dT .................................................. (1)
Converse effect :
S = dE .................................................. (2)
Keterangan:
D  : dielectric displacement (C/m 2 ) T : pemampatan/tekanan (N/m 2 )
S : peregangan (N/m 2 )
E : volt (V)
D  : kontanta piezoelektrik (C/N)

## Persamaan Piezoelektrik
Gambar 2a. Piezoelektrik Terhubung Seri
Gambar 2b. Piezoelektrik Terhubung Paralel

## METODE
Secara  umum  penelitian  ini  bertujuan menciptakan  sebuah  energi  alternatif  yang mam-pu  disimpan  dalam  baterai  sehingga
WT FLg V T d FL Q 2 3 2 3 31 2 31 2   WT FLg V T d FL Q 2 3 2 3 31 2 31 2  
28, Inovtek, Volume 4, Nomor 1, April 2014, hlm. 28 - 33
secara  garis  besar  blok  diagram  proses kerjanya dapat digambarkan sebagai berikut: Pada  gambar  2  erlihat  bahwa  terdapat  3 proses utama dalam pengambilan energi:
1. Konversi  energi  input  menjadi  energi
___
Dalam pengaplikasiannya sistem meman- faatkan  getaran  sebagai  sumber  energi  yang kemudian  energi  tersebut  diubah  menjadi energi  listrik  dengan  memanfaatkan  piezo- elektrik.  Getaran  berasal  dari  getaran  mobil ketika  dihidupkan  mesinnya.  Dalam  peng- ujiannya getaran ini dibuat dari alat simulasi agar  lebih  mempermudah  proses  pengam- bilan data dan pengujian.
Gambar 4.Disain modul simulasi
Piezoelektrik yang digunakan adalah tipe V21BL  dari  MIDE yang  khusus  dirancang
mekanik yang diharapkan.
2. Konversi energi mekanik menjadi energi listrik.
3. Proses  pengolahan  dan  transfer  energi listrik.
sebagai  generator  energi.  Untuk  memak- simalkan  daya  yang  dihasilkan  dari  getaran, piezoelektrik  dipasang  secara bending yaitu dimana ujung piezoelektrik terikat secara te- tap  disatu  ujung  dan  ujung  lainnya    dikenai gaya atau beban.
Gambar 5. V21BL- MIDE Piezoelectric Energy Harvesting
Dalam  proses pengambilan energi diper- lukan  3  rangkaian  penting  yaitu  rangkaian penurun    tegangan  ( buck konverter ),  peng- isian  ( charging )  dan  penyetabil  tegangan ( regulator ).  Untuk  penurun  tegangan  di- gunakan hysteresis  buck konverter  meng- gunakan  IC  LTC3588  yang  bekerja  pada daya rendah.
Getaran Mobil Input energi mekanik Piezo Pengolahan Energi Penyimpana Gambar 3. Diagram Sistem Alat
IC  LTC  4071  merupakan  IC shunt charging baterai yang dilengkapi sistem pro- teksi untuk meminimalkan potensi terjadinya overcharge yaitu disaat nilai tegangan peng- isian  diatas  tegangan  yang  telah  ditentukan dan discharge protection yang akan aktif di- saat  nilai  tegangan  baterai  dibawah  nilai V LBD .

## PENGUJIAN DAN ANALISA
Sistem desain alat  yang  telah dibuat dan di-ujikan.  Alat  ini  dilengkapi  dengan  motor ya-ng  terdapat  di  dalamnya  sebagai  peng- getar seperti tampak pada Gambar 7.
Gambar 7. Alat uji Piezoelektrik
Pengujian awal dilakukan dengan mengama- ti  daya  yang  dihasilkan  oleh  piezoelektrik ketika  diberikan  beban  pemberat  yang  ber- beda.
Tabel 1. Data Efek Pembebanan terhadap Piezoelektrik
RL ( Ω) Tegangan Terukur (V) I (µA) P (mW) 27 0 0 0 560 0 0 0 1k 0 0 0 3,3k 0 0 0 22k 6 0 0 100k 19,8 197 3.9 120k 21,3 178 3,8 150k 19,4 128 2,5
Sumber : Data Olahan
Dari  data  tersebut  dapat  diketahui  bahwa piezoelektrik  memiliki  impedansi  sumber yang besar yaitu berkisar 83 k Ω dengan arus keluaran  300µA.  Sehingga  dapat  dikatakan bahwa  daya output yang  dihasilkan  akan maksimal apabila resistansi beban mendekati 83k Ω seperti tampak pada Gambar 8.
Gambar 8. Daya Output yang dihasilkan Piezoelektrik
Sistem  catu  daya  menggunakan  metode bending dengan  beban  pemberat  untuk  me- maksimalkan  gaya  yang  diperoleh  pada piezoelektrik).  Adanya  pemberat  sangat mempengaruhi  besarnya  tegangan output yang tercapai. Dimana daya yang dihasilkan oleh piezoelektrik berkisar  0  - 5mW dengan tegangan mencapai 25V. Dalam proses kon- versinya  rangkaian  yang  digunakan  pada Gambar  6 dapat  menghasilkan  daya  sebesar 9  mW,  rangkaian  ini  mampu  menyalakan  6 lampu led yang terpasang secara parallel de- ngan  level  tegangan  sebesar  3,3  V  dari  ke- luaran regulator. Berikut merupakan data ha- sil pengujian dan bentuk gelombang yang di- dapatkan.
Tabel 2. Data Hasil Output yang Dihasilkan
C in (µF) Tegangan (Volt) I out (mA) P out (mW) f out (Hz) η (%)
VC in Vout 4,7 4,8 3,25 0,5 1,62 32 93,5 10 4,8 3,6 0,6 2,16 20 93,7 47 4,8 3,6 1,5 5,4 12 83,1 100 4,8 3,6 1,6 5,76 6 83 220 4,8 3,6 2,5 9 4 88,7
Sumber : Data Olahan
30, Inovtek, Volume 4, Nomor 1, April 2014, hlm. 30 - 33
Gambar 9. Gelombang Output Hasil Pengujian dengan Pengaturan 5v/div dan 20ms/div
Output terbukti  dapat  menyalakan  6 lampu led superbright yang terpasang secara parallel  dan  dapat  mengisi  baterai  Li-Ion 3,7V  20mAH  selama  7  jam. Output yang dihasilkan  memiliki  frekuensi  tertentu  ter- gantung  pada  pemberian  kapasitor input yang  berfungsi  untuk  menyimpan  tegangan sementara.
Dalam mengkonversi tegangan tinggi de- ngan arus yang sangat kecil diperlukan suatu rangkaian dengan efisiensi yang sangat ting- gi.  Dengan  penggunaan  LTC3588  memung- kinkan  proses  konversi  tanpa  menggunakan catu  baterai  eksternal  dengan  daya output hingga  9  mW  yang  dapat  dijadikan  sebagai mikro generator. Penggunaan kapasitor input yang  tepat  menentukan  daya  output  yang dapat  tercapai  dimana  pada  kapasitor  input ini  bertindak  sebagai  penyimpan  energi  se- mentara.  Karena  kapasitor  input    digunakan sebagai  penyimpan  energi  sementara  sebe- lum  terjadinya  proses  konversi,  maka  daya output yang  dihasilkan  akan  sangat  tergan- tung  dengan  energi  yang  tersimpan  pada kapasitor input ini dimana emakin besar nilai kapasitansinya  maka  semakin  besar  pula energi yang dapat tersimpan untuk kemudian dikonversikan.  Tegangan  minimal  yang  di- perlukan  oleh  kapasitor  untuk  mencatu hysteresis buck adalah sebesar 4,8 V terlihat pada Tabel 2.
Hal  ini  menunjukkan  bahwa  proses konversi tegangan  tidak  akan  terjadi  apabila
tegangan input yang  diberikan  piezoelektrik tidak mencapai 4,8 V.

## ANALISA DATA
Sesaat  terjadi  tumbukan  (penekanan)  antara piezoelektrik  dan stick penekan  terjadi gelombang dengan periode  yang  lebih besar dari  yang  lainnya.  Hal  ini  dapat  ditunjukan pada gambar berikut ini :
Gambar 10. Pengaruh Penekanan terhadap Bentuk Gelombang
Dari gambar  di atas dapat menjelaskan bah- wa  penekanan  pada  piezoelektrik  membuat piezoelektrik  mengalami  deformasi.  Defor- masi  bentuk  tersebut membuat piezoelektrik mengalami  polarisasi  yang  menghasilkan energi listrik.
Gambar 11. Deformasi yang Terjadi pada Piezoelektrik
Sesaat setelah terjadi penekanan, gelom- bang yang dihasilkan merupakan gelombang dengan  tegangan puncak  yang paling tinggi. Kemudian gelombang ini bertahap mengecil hingga terjadi penekanan berikutnya. Hal ini terjadi  karena  sesaat  setelah  piezoelektrik mengalami  tumbukan dengan stick penekan,
Berhenti mengalami deformasi Awal Deformasi Sesaat terjadi penekanan
merupakan deformasi dengan amplitudo ter- besar  pada  piezoelektrik.  Kemudian  defor- masi  ini  bertahap  akan  berhenti,  mengingat adanya  sifat  elastisitas  pada  piezoelektrik untuk  mempertahankan  ke  keadaan  semula. Sedangkan  gaya  yang  terjadi  pada  piezo- eletrik  merupakan  gaya  dari  hasil  putaran motor yang dapat dijelaskan sebagai berikut:
Gambar 12. Gaya Tekan yang Diberikan ke Piezoelektrik
Pada  batang  penggetar  memberikan tekanan dengan kecepatan tetap yang berarti Vm=Vm’=  V  dan  tekanan  diberikan  setiap satu putaran penuh  yang berarti  sejauh 360° (2π).
Menghitung  percepatan  sudut  (α)  benda yang  berbanding  dengan  nilai  nilai  kuadrat dari kelajuan linier benda (V) dimana perio- de  (T)  merupakan  waktu  yang  diperlukan untuk melakukan satu putaran (360°).
Berdasarkan  data  hasil  pengujian,  dapat diketahui  bahwa  kecepatan  putaran  motor sangat  mempengaruhi output yang  dihasil- kan  dimana  tegangan  output  dan  arusnya akan semakin besar sebanding dengan kece- patan  motor    yang  diberikan,  dengan  kata lain  semakin  cepat  kecepatan  motor,  maka frekuensi  penekanan  terhadap  piezoelektrik akan  semakin  besar  yang  mengakibatkan kenaikan  daya output (P).  Hal  ini  sangat menunjukan  karakteristik  piezoelektrik  di- mana  semakin  meningkat  frekuensi  pene- kanan    yang diberikan,  maka  daya  (P)  yang dihasilkan  akan  berbanding  lurus  dengan kenaikan  gaya  dimana  (persamaan  3)  kece- patan  sudut  ω  berbanding  kuadrat  dengan gaya  yang  dihasilkan.  Hal  ini  menunjukkan bahwa  semakin  cepat  putaran  motor,  maka
gaya  tekan  yang  dialami  piezoelektrik  akan semakin besar.

## Efek Pembebanan Terhadap Piezoelektrik Dan Daya Output Piezoelektrik
Hal ini bertujuan untuk melihat karakteristik gelombang output piezoelektrik  terhadap pembebanan yang diberikan.

## Cara Pengujian
Rangkaian uji  terdiri  dari  penyearah  gelom- bang penuh dan resistor  (RL).  Pengujian  ini dilakukan    dengan  mencoba  satu  persatu nilai  resistansi  beban  (RL)  yang  diberikan. Kemudian output diukur  tegangan dan  arus- nya dengan menggunakan multimeter digital serta  melihat  hasilnya  pada oscilloscope . Nilai resistansi yang digunakan adalah 27 Ω , 560 Ω ,  1  k Ω ,  3.3  k Ω,  22  kΩ,  100  kΩ,  120 k Ω, dan 150 kΩ.

## Data Hasil Pengujian
Berikut merupakan gambar gelombang hasil pengujian dengan volts/div = 5 dan times/div = 2 ms pada beban 27 Ω , 560 Ω dan 1 K Ω .
Gambar 13. Gelombang Hasil Pengujian dengan Beban 27 Ω
Gambar 14. Gelombang Hasil Pengujian dengan Beban 560 Ω
32, Inovtek, Volume 4, Nomor 1, April 2014, hlm. 32 - 33
Gambar 15. Gelombang Hasil Pengujian dengan Beban 1 k Ω
Berikut merupakan gambar gelombang hasil pengujian dengan volts/div = 5 dan times/div =  2ms  pada  beban  3,3  k Ω ,  22  k Ω dan  100 k Ω .
Gambar 16. Gelombang Hasil Pengujian
dengan Beban 3,3 k Ω
Gambar 17. Gelombang Hasil Pengujian dengan Beban 22 k Ω
Gambar 18. Gelombang Hasil Pengujian dengan Beban 100 k Ω

## Tabel 3 Data Efek Pembebanan terhadap Piezoelektrik
Sumber : Data Olahan (2014)
Besarnya  daya  dan  arus  dihitung  dengan pendekatan resistansi.
P = V 2 /R
I = =

## Analisa Data
Dari  data  hasil  pengujian  dapat  dilihat  bah- wa output tidak  muncul  pada  nilai  beban tertentu.  Hal  ini  bukan  dikarenakan  tidak adanya  output  yang  dihasilkan  piezoelektrik melainkan  dikarenakan  transfer  daya  yang tidak  maksimal.  Berikut  merupakan  grafik perbedaan  daya output yang  tercapai  pada pemberian beban yang berbeda.
Gambar 19. Grafik Daya Output yang Tecapai dengan Nilai Resistansi yang Berbeda
Dimana:
P  = Daya yang diserap beban (Watt) V  = Tegangan yang terukur pada beban (V) R  = Resistansi beban ( Ω)
I = Arus beban (A)

## KESIMPULAN
1. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa ada pengaruh terhadap pemberian besarnya  tahanan  beban  pada  piezo- elektrik,  tahanan  dibawah  20  K Ω  tidak ada  arus  yang  mengalir  dan  semakin besar  tahanan  beban  maka  tegangannya juga semakin besar.
2. Piezoelektrik memiliki daya  output  yang kecil  akan  tetapi dengan  nilai  impedansi internal  yang  tinggi.  Oleh  karena  peng- gunaan  piezoelektrik  sebagai  generator memungkinkan  untuk  digunakan  dalam teknologi  pada  mobil  listrik  yang  mem- butuhkan daya kecil.

## DAFTAR PUSTAKA
Minazara,  D.  Vasic    and  F.  Costa.  (2014) Piezoelectric  Generator  Harvesting  Bike Vibrations  Energy  to  Supply  Portable
Devices. Universitas Cergy-Pontoi-
se. www.icrepq.com/icrepq-08/344- minazara.pdf .