Jurnal Generic , Vol. 9, No. 1, Maret 2014, pp. 292~300 ISSN: 1907-4093 (print), 2087-9814 (online)

## Sistem Pemanen Energi dengan Tranduser Piezoelektrik untuk Perangkat Daya Rendah
1 Deddy Susilo, 2 Eka Firmansyah, dan 3 Litasari
1 Fakultas Elektronika dan Komputer UKSW Jl. Diponegoro 52-60 Salatiga, Indonesia
2,3 Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi UGM Jl. Grafika 2A Yogyakarta, Indonesia E-mail: 1 deddy.susilo@ymail.com, 2 eka.firmansyah@gmail.com, 3 litasari@yahoo.com

## Abstrak
Sistem  pemanen  energi  dengan  sumber  vibrasi  yang  diuji  secara  empiris  terdiri dari  tranduser  piezoelektrik,  diode  penyearah  dan  penyimpan  energi  dengan  super kapasitor.  Studi  empiris  ini  menghasilkan  bahwa  sistem  penyearah  yang  tepat  untuk mengambil  energi  skala  ratusan  miliVolt  adalah  diode  schottky.  Diode  schottky mempunyai  efisiensi  85%  untuk  sumber  masukan  di  atas  1V.  Waktu  pengisian superkapasitor dengan sumber arus AC tidak terpengaruh frekuensi, tetapi  dari  besar amplitudonya. Efisiensi tranduser piezoelektrik paling tinggi pada frekuensi 10kHz dan 133kHz  yakni  3,6%  dan  22%.  Resistansi  keluaran  tranduser  menurun  seiring  dengan meningkatnya  frekuensi.  Pada  pengujian  perangkat  mikrokontroler,  sensor  suhu  dan RF transceiver dengan frekuensi pengiriman data 1, 5 dan 10 Hz diperoleh data bahwa pada frekuensi 1 Hz membutuhkan energi paling kecil.
Kata kunci: energy harvesting, vibration, piezoelectrik.

## Abstract
The energy harvester system from the vibrational energy that had been empirically tested, consist of a piezoelectric transducer, a diode rectifier and energy storage using a super capacitor. The result of this empirical study was the rectifier system appropriate to rectify the voltage to the level of hundreds of millivolts was schottky diode. This diode had an efficiency of 85% with input voltage source at above of 1V. The charging time of the  super  capacitor  with  AC  current  source  was  not  affected  by  the  frequency,  but depended from the amplitude. The highest  efficiency of the piezoelectric transducer at frequency  10kHz  and  133kHz  were  3.6%  and  22%.  The  transducer  output  resistance decreases  with  increasing  frequency.  On  testing  with  the  microcontroller  module,  a temperature sensor and RF transceiver with a data transmission frequency at 1, 5 and 10 Hz, it was concluded that the frequency at 1 Hz requires the moreless energy.
Keywords: energy harvesting, vibration, piezoelectric.

## 1. Pendahuluan
Studi  empiris  mengenai  komponen  penyusun  sistem  pemanen  energi  dengan sumber  vibrasi  dengan  tranduser  piezoelektrik  tipe  PZT  ( lead  zirconate  titanate )  atau sering  dikenal  buzzer  piezo  menggunakan  komponen  dasar  elektronika  seperti  diode dan  kapasitor.  Penelitian  ini  menekankan  bagaimana  pemilihan  komponen-komponen
293
yang tepat untuk mengambil dan menyimpan energi dari buzzer piezoelektrik.  Sebagai contoh  pengambilan  energi  dari  trotoar  pejalan  kaki  ataupun  jalan  raya,  hasilnya  akan disimpan  pada  media  penyimpan  energi  dan  digunakan  untuk  mendayai  lampu  jalan berbahan  LED  ( light  emitting  diode )  pada  malam  hari  [1].  Sumber  energi  skala  mikro yang ada di alam mempunyai kerapatan daya yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Tabel 1: Sumber Energi [2]
Metode Pengambilan Energi Kerapatan Daya Sel Surya 15mW/cm3 Magnetostatik 0,3 hingga 800µW Vibrasi 116-200µW/cm3 Bising akustika 0,003-0,96µW/cm3 Frekuensi Radio 1µW/cm3 Piezoelektrik 330µW/cm3 Angin 1µW/cm3 Termoelektrik 40µW/cm3
Teknik  pengambilan  energi  yang  umum  adalah  dengan  menggunakan rectifier , kapasitor  dan  baterai  sebagai  penyimpan.  Teknik Bias-Flip  Rectifier and  Shared Inductor memungkinkan potensi daya yang dapat dihasilkan sekitar 10 hingga 100 µW dari daya yang tersedia di lingkungan.
Sistem pemanen energinya adalah sebuah penyearah gelombang penuh dan sebuah perata tegangan yakni kapasitor dan penyimpan energi  berupa baterai. Setiap volume 1 cm 3 baterai  tipe  litium  mempunyai  kapasitas  penyimpanan  energi  sekitar  2800  Joule, yang  berarti  dapat  mensuplai  beban  elektrik  rata-rata  sekitar  100µW  dalam  waktu mendekati setahun atau tepatnya sekitar 324 hari. Karakteristik yang unik dari generator piezoelektrik ini adalah tegangan keluaran yang relatif rendah [3].
Metode  pemanenan energi  yang diberi  nama direct  effect  piezoelectric menjamin dapat  memberikan  daya  perangkat  pembangkit  alternatif.  Pada  percobaan  empirisnya, daya  listrik  33,84mW  diperoleh  dari  energi  yang  tersimpan  dalam  kapasitor  470μF dengan resistor beban 10,4 MΩ pada frekuensi operasi yang rendah dari 2,5Hz selama 25  detik.  Efektivitas  tenaga  listrik  ini  untuk  mengisi  penuh  baterai  NiMH  hanya membutuhkan  30  menit.  Ayunan  vibrasi  yang  lebih  besar  dan  frekuensi  yang  lebih tinggi  dari tranduser piezoelektrik keramik unimorph  memberikan  lebih  banyak energi untuk menghasilkan daya listrik. Jika menggunakan operasi frekuensi yang lebih rendah yakni  1  Hz,  hasilnya  tidak  ada  baterai  yang  dapat  terisi  setelah  diisi  selama  15  jam. Percobaan  menunjukkan  bahwa  dibutuhkan  30  menit  untuk  mengisi  penuh  baterai NiMH 1,2V 1800mAh di frekuensi operasi 2,5Hz. Pengisian pada kapasitor 100μF dan 470μF yakni 150 detik dan 330 detik serta dibutuhkan lebih dari 48 jam untuk mengisi baterai litium-ion 3,7V 1200mAh [4].

## 2. Pengukuran Komponen Pemanen Energi
Penelitian  empiris  komponen  dasar  penyusun  sistem  pemanen  energi  dilakukan dengan pengukuran karakteristik diode, waktu penyimpanan energi pada  SC, konsumsi
294
daya  perangkat  mikrokontroler  dan  RF transceiver dan  karakteristik  daya  keluaran piezoelektrik.

## 2.1 Pengukuran Karakteristik Diode
Pengujian  yang ditunjukkan pada  Gambar 1a dan 1b  adalah  mengukur  V f ,  I f dan menghitung  efisiensi  keluaran  serta  mengukur  amplitudo  keluaran  penyearah  setengah gelombang  terhadap  frekuensi  sinyal  sinus  yang  divariasikan  untuk  mengetahui karakteristik frekuensi operasi setiap diode. Persamaan 1 menunjukkan rumus efisiensi diode.
( )           ( ) (1) dimana: (%) (a) 1N5822 Power Supply GPS3030 RL 4k7 ohm Wavetek Meterman 10XL Fluke 26III BAT85 1N4148 0-30V  3Amp max. (b) Function Generator GFG-8015G 1N5822 RL 4k7 ohm BAT85 1N4148 Output 50 ohm Osiloskop GOS-622G RL 4k7 ohm RL 4k7 ohm
Gambar 1: (a). Skema pengujian karakteristik V f vs I f . (b). Skema pengujian karakteristik frekuensi operasi diode.

## 2.2 Pengukuran Superkapasitor
Pengukuran  waktu  yang  diperlukan  untuk  mengisi  hingga  penuh  sehingga  dapat diketahui energi spesifik SC yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Resistansi internal SC, daya  yang  hilang  pada  SC  ditunjukkan  pada  Gambar  2b.  Daya  efektifnya  yang  lebih sesuai  untuk  aplikasi  catu  daya  sesuai  dengan  standar  IEC  62391-2  dapat  dihitung dengan Persamaan 2[5].
(2)
(a) Power Supply GPS3030 Wavetek Meterman 10XL Fluke 26III 5V SUPERCAPACITOR 1Farad/5,5V STOPWATCH (b)
Gambar 2: (a). Uji waktu pengisian SC 1 Farad dari sumber arus. (b). Metode pengisian dan pengosongan untuk mencari nilai R i .
Energi kapasitor dengan nilai tegangan kapasitor ketika diberi beban tertentu sesuai dengan Persamaan 3.
(3)
Melalui  resistansi  internal,  arus  pengisian  dan  pengosongan  menghasilkan  panas sebesar P loss sesuai dengan Persamaan 4.
(4)

## 2.3 Pengukuran Konsumsi Daya dan Energi Perangkat Mikrokontroler dan RF Transceiver
Skema pengujian konsumsi energi dari sensor suhu LM35, modul mikrokontroler ATMEGA324A dan RF link transceiver ditunjukkan pada Gambar 3.
Power Supply GPS3030 Wavetek Meterman 10XL Fluke 26III 5V SENSOR SUHU LM35 Modul Mikrokontroler RF Link Transceiver S1 I sensor S2 I mikrokontroler S3 I transceiver
Gambar 3: Pengukuran konsumsi energi dari sensor suhu LM35 serta Modul Mikrokontroler ATMEGA324A dan RF Link Transceiver
296
Persamaan  5  menunjukkan  penjumlahan  konsumsi  daya  dari  masing-masing komponen.
(5)

## 2.4 Pengukuran Energi Keluaran Sistem Pemanen Tranduser Piezoelektrik
Energi  yang  dihasilkan  oleh  tranduser  piezoelektrik  tidak  dapat  secara  langsung digunakan  oleh  perangkat  elektronis.  Energi  tersebut  harus  diubah  dengan  sebuah antarmuka  elektronis  yang  memastikan  kecocokan  dengan  beban  elektrik  atau  elemen penyimpanan energinya. Rangkaian yang umum digunakan adalah penyearah tegangan bolak-balik ke tegangan dan pengganda tegangan [6]. Untuk menghitung daya  keluaran pada  rangkaian  ini  dapat  diasumsikan  dalam  kondisi  idealnya  yakni  u  (perpindahan mekanis) adalah murni sinusoidal dan V, tegangan rangkaian terbuka ( open circuit ) juga sinusoidal.  Tetapi,  saat  tegangan  keluaran  tranduser  piezoelektrik  lebih  kecil  daripada tegangan kapasitor atau V DC , diode masuk keadaan reverse sehingga tidak ada arus yang mengalir dan pengisian kapasitor berhenti. Arus dibagi menjadi  dua  bagian yakni pada pengisian  kapasitor  dan  ke  beban  lain  yang  terpasang.  Energi  yang  dihasilkan  atau dilambangkan E, pada periode T dapat diperkirakan dengan menghitung perkalian dari V  dan  I  selama  periode  tersebut.  Daya  dapat  diperoleh  dengan  pembagian  energi  (E) terhadap periode (T).
(6)
Daya  P  dari  tranduser  piezoelektrik  juga  dapat  didapat  dari  hasil  percobaan pengukuran  tegangan dan  nilai  resistor seperti  yang  ditunjukkan  pada Persamaan 7.
(7)
Pengukuran  lama  waktu  pengisian  SC  dengan  penyearah  gelombang  penuh  dan pengganda tegangan ditunjukkan pada skema Gambar 4.
Function Generator GFG-8015G FULL BRIDGE RECTIFIER SCHOTTKY 1N5822 Output 50 ohm S out STOPWATCH Tranduser 1  Tranduser 2 + + Fluke 26III Wavetek Meterman 10XL SUPERCAPACITOR 1Farad/5,5V VOLTAGE DOUBLE With SCHOTTKY 1N5822 CAPASITOR SUPERCAPACITOR 1Farad/5,5V S in 1 S in 2 Osiloskop GOS-622G Zin 1Mohm, 25pF
Gambar 4: Pengukuran waktu pengisian SC dengan penyearah gelombang penuh dan pengganda tegangan
Gambar 5: Grafik pengujian Vf vs If diode Gambar 6 : Grafik pengujian Vf vs efisiensi diode 3. Hasil Pengujian dan Analisis
Hasil  pengujian  kemudian  digrafikkan  menjadi  2  buah  grafik  yakni  grafik pengujian  V f vs  I f dan  grafik  pengujian  I f versus  efisiensi  diode.  Jangkah  arus  yang diberikan  adalah  0-6  mA  dan  tegangan  catunya  adalah  0-27V.  Grafik  pada  Gambar  5 menunjukkan keistimewaan karakteristik pada diode BAT85 dan 1N5822 yakni V f yang sangat rendah maksimal sebesar 0,25 Volt untuk arus diode orde mA.
Diode  komputer  1N4148  memiliki  V f cukup  tinggi  yakni  0,7  Volt  dan  untuk pemberian arus V f di bawah 0,5 Volt, diode belum mulai aktif. Pada grafik pengujian V f versus efisiensi pada Gambar 6 menunjukkan efisiensi diode schottky sangat tinggi dari pemberian V f yang sangat rendah. Dari hasil perbandingan antara BAT85 dan 1N5822, 1N5822  mempunyai  kelebihan  efisiensinya  lebih  tinggi  dan  V f lebih  rendah.  Hasil pengujian  frekuensi  operasi  dapat  diketahui  jangkah  frekuensi  0-100kHz  untuk  diode 1N4148  dan  BAT85,  sinyal  sinus  keluaran  yang  dihasilkan  baik.  Untuk  ketiga  diode, sinyal  sinus  keluaran  tak  terdistorsi  maksimal  pada  1,3MHz  untuk  1N4148,  526kHz untuk BAT85 dan 42kHz untuk 1N5822. Efisiensi diode 1N4148 untuk sinyal masukan 2Vpp  hanya  20%,  sedangkan  untuk  BAT85  dan  1N5822  masing-masing  sebesar  70% dan 80%.
Rerata  waktu  pengisian  SC  1  Farad  untuk  sumber  arus  DC  konstan  10,17  dan 102mA adalah 495,9 dan 48,8 sekon. Dari hasil percobaan diketahui ralat antara teoritis dengan  riil  sebesar  2,6%  dan  3,9%  untuk  pengisian  dengan  arus  awal  10,17mA  dan 102mA  sesuai  dengan  Tabel  2.  Resistansi  DC  internal  dari  SC  dapat  dihitung  dengan melakukan  percobaan  terlebih  dahulu  mencari  nilai  tegangan  drop  ( )  saat  SC dibebani dengan nilai tertentu sesuai dengan Gambar 2a. Daya efektifnya sesaui dengan Persamaan  2  adalah  sebesar  260mWatt.  Sedangkan  energi  kapasitor  dengan  nilai tegangan kapasitor sebesar 3,34V ketika ditarik arus sebesar 278mA sesuai dengan Persamaan  3 adalah  sebesar dengan P loss sesuai dengan  Persamaan  4 adalah Pengujian  waktu  pengisian  SC  terhadap  frekuensi  sinyal  masukan  dari  10, 100,  1k  dan  10kHz  didapatkan  kesimpulan  bahwa  waktu  pengisian  untuk  frekuensi tersebut adalah mendekati sama.
Tabel 2: Pengukuran Pengisian SC dengan Sumber Arus
U Min (V) U Charge (V) I (mA) Rerata waktu pengisian riil (sekon) Waktu pengisian teoritis (sekon) ( ) 0 5,18 10,17 495,9 509,34 0 5,18 102 48,8
50,78
0 2 4 6 8 0 0.5 1 If (m A ) Vf (Volt) 1N4148 BAT85 1N5822 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 0 2 4 6 Ef is ie n si (% ) Vf (Volt) 1N4148 BAT85 1N5822
298
Tabel 3: Pengukuran Konsumsi Energi Perangkat Komponen yang aktif Pengukuran Daya (mW) Energi (mJ) Teg. (V) Arus (mA) t=1s (10bit)--> t=1ms Sensor LM35 (beban R 100kohm) 5,01 0,063 0,31 0,31 0,00031 Sensor LM35 + Modul MEGA324 4,96 15 74,4 74,4 0,0744 Sensor LM35 + ADC + Modul MEGA324 4,96 17 84,32 84,32 0,08432 Sensor LM35 + ADC + Modul MEGA324 + RF link 4,96 110 545,6 545,6 0,5456
Tabel 4: Konsumen Energi untuk Frekuensi 1, 5 dan 10Hz
Daya saat RF link active 545,6 mWatt Daya saat RF link sleep 74,4 mWatt Waktu pengiriman 10 bit 1,0416 Ms Frek. Kirim (Hz) t total kirim (ms)
Kons. Daya RF link active
(mW) T total RF link sleep (ms) Kons. Daya RF link sleep (mW) Kons. Energi dalam t 1 s (mJ) 1 1,04 545,6 998,96 74,32 74,81 5 5,21 2728 994,79 74,012 87,83 10 10,42 5456 989,58 73,62 129,69
Pengukuran konsumsi daya dan energi perangkat sensor suhu, mikrokontroler dan modul  RF  ditunjukkan  pada  Tabel  3.  Konsumsi  daya  keseluruhan  dibagi  menjadi beberapa komponen, yakni daya sensor 0,31mW, daya modul mikrokontroler 74,1mW, ADC internal perkanal adalah 9,92mW, RF link 461,28mW, sesuai Persamaan 5.
Data  yang dikirimkan  adalah  data  sensor LM35  dengan  lebar 8  bit serta  bit  start dan  stop.  Kecepatan  pengiriman  adalah  9600  bps  sehingga  1  bit  membutuhkan  waktu 104,167 µs. Perhitungan konsumsi energi untuk pengiriman data dengan frekuensi 1, 5 dan  10  Hz  ditunjukkan  pada  Tabel  4.  Pada  tabel  ditunjukkan  bahwa  daya  yang  tidak signifikan  menurun  jika  frekuensi  pengiriman  data  diperkecil  adalah  konsumsi  daya perangkat saat RF link transceiver KYL1020U dalam mode sleep .
Tranduser  piezolektrik  yang  digunakan  mempunyai  beberapa  titik  frekuensi dimana  konversi  energinya  tertinggi  dibanding  frekuensi  lainnya.  Titik-titik  frekuensi tersebut adalah 3kHz, 10kHz, 133kHz dan 250kHz dimana efisiensinya menurut grafik Gambar  7  paling  besar  di  frekuensi  133kHz  yakni  22%.  Hasil  pengukuran  resistansi keluaran  tranduser  terhadap  frekuensi  yang  diberikan  menunjukkan  frekuensi  semakin meningkat, resistansi keluarannya semakin menurun ditunjukkan pada Gambar 8. Hasil yang diperoleh adalah untuk rangkaian penyearah gelombang penuh lebih cepat 2,5 kali dibanding  rangkaian  pengganda  tegangan,  karena  meningkatnya  impedansi  keluaran
299
sistem  pengganda  tegangan.  Pengisian  dilakukan  oleh  sumber  konversi  mekanis  ke elektris  oleh  tranduser  piezoelektrik  dari  saat tegangan  SC  0  hingga  1  Volt.  Pengisian dengan  penyearah  gelombang  penuh  membutuhkan  waktu  1370  sekon  dengan  arus 26,6mA  dan  pengganda  tegangan  membutuhkan  waktu  3450  sekon  dengan  arus 10,6mA.

## 4. Kesimpulan
Sistem  pemanen  energi  dengan  piezoelektrik  untuk  perangkat  elektronika  daya rendah  meliputi  sistem  penyearah  untuk  mengubah  arus  bolak-balik  dari  tranduser piezoelektrik  yang  paling  cocok  dan  tinggi  efisiensinya  lebih  dari  85%  pada  ratusan mVolt  hingga  Volt  adalah  diode  schottky.  Schottky  yang  digunakan  adalah  1N5822. Super  kapasitor  yang  digunakan  berkapasitas  1  Farad/5,5V  cocok  untuk  menyimpan energi  untuk  sistem  pemanen  energi  tanpa  baterai  khususnya  untuk  perangkat elektronika  daya.  Lama  waktu  pengisian  kapasitor  tidak  tergantung  frekuensi  sumber arus bolak-balik yang diberikan tetapi dari besarnya arus.
RF  link transceiver yang  digunakan  membutuhkan  daya  yang  besar  saat melakukan  transmisi  yakni  sekitar  460mW  sehingga  belum  sesuai  dengan  persyaratan sebuah WSN. Kebutuhan energi perangkat elektronika dengan sensor suhu dan RF link transceiver  yang  diuji  masih  cukup  besar  yakni  74,8mJoule/sekon  saat  kondisi sleep . Frekuensi  kirim  semakin  tinggi  membutuhkan  energi  yang  semakin  meningkat  juga. Pada  pengujian  dengan  frekuensi  1,5  dan  10  Hz,  frekuensi  1  Hz  membutuhkan  energi paling  kecil.  Efisiensi  tranduser  piezoelektrik  paling  tinggi  pada  frekuensi  10kHz  dan 133kHz  yakni  3,6%  dan  22%.  Resistansi  keluaran  tranduser  menurun  seiring  dengan meningkatnya frekuensi.
Gambar 7: Efisiensi konversi energi dari tranduser vs frekuensi
0 5 10 15 20 25 1 100 10000 1000000 Efi se n si ( % ) Frekuensi (Hz) Gambar 8: Grafik resistansi keluaran tranduser terhadap frekuensi 1 10 100 1000 10000 100000 1000000 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 R es is ta n si o u tp u t (Ω ) Frekuensi (Hz) Thousands
300

## Referensi
[1] “Innowattech  - Technology.” [Online].  Available: http://www.innowattech.co.il/ technology.aspx.
[2] S.  Maurya,  P.  Suman,  and  M.  Radhakrishna,  “A  Review  of  Energy  Harvesting Techniques  for  WSN,” Indian  Institute  of  Information  Technology-Allahabad, India .
[3] Y.  K.  Ramadass  and  A.  P.  Chandrakasan,  “An  Efficient  Piezoelectric  Energy Harvesting  Interface  Circuit  Using  a  Bias-Flip  Rectifier  and  Shared  Inductor,” IEEE Journal of Solid-State Circuits , vol. 45, no. 1, pp. 189–204, Jan. 2010.
[4] Y.  Ting,  G.  Hariyanto,  B.  K.  Hou,  and  C.  Y.  Huang,  “Evaluation  of  Energy Harvesting by using Piezoelectric Unimorph Ceramics,” Proceedings of the 2009 IEEE  International  Conference  on  Information  and  Automation ,  pp.  778–783, 2009.
[5] “Supercapacitor  -  Wikipedia,  the  free  encyclopedia.”  [Online].  Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor.
[6] J.  Qiu,  H.  Jiang,  H.  Ji,  and  K.  Zhu,  “Comparison  between  four  piezoelectric energy  harvesting  circuits,” Frontiers  of  Mechanical  Engineering  in  China, Higher  Education  Press  and  Springer-Verlag ,  vol.  4,  no.  2,  pp.  153–159,  Mar. 2009.