## STUDI EKSPERIMENTAL PENDINGIN PASIF LAMPU LIGHT EMITTING DIODE UNTUK APLIKASI PADA PENERANGAN RUANGAN
Rahmat Hidayat 1 , Gatot Eka Pramono 2 , Nurrohman 3
1 Mahasiswa Program Studi Teknik Mesin
2 Material and Manufacturing Process (MaMP)Laboratory
3 Energy Laborator y Fakultas Teknik Universitas Ibn Khaldun Bogor Jalan Raya Sholeh Iskandar Bogor, Km. 2 rahmathidayat2003@gmail.com

## ABSTRACT
In the present day, light emitting diode (LED) is used for domestic purposes up to the industry, such as for lighting room. Although relatively expensive, LED are highly in demand by  the  public  because  it  produces  a  brighter  light  and  uses  very  low  power  so  it  can  save electrical energy. LED produces heat emanating from the chip. Generation of heat will result in  the  degradation  of  performance  of  the  LED.  To  keep  the  performance  of  the  LED  light remains good, a process is needed for the LED to have a better heat dissipation. It is achieved by  using  heatsink  as  an  element  to  release  heat.  This  research  is  a  fundamental  research which aims to determine heat transfer characteristics on LED of Chip on Board (COB) type. From the experimental results,  it is  obtained that the greater the value of  the input voltage, the  higher  the  value  of  lux  but  the  performance  of  the  LED  decreases  with  higher  junction temperature value. The performance and light produced by the LED are highly dependent on the type of heatsink materials. When aluminum used the value of lux obtained was 1363 lm/m 2 while for aluminum-copper combination the value of lux obtained was 1251 lm/m 2 . The value of heatsink area greatly affected the temperature of the thermal pad.
Keyword: light emitting diode, LED, heatsink

## PENDAHULUAN
Pada  masa  sekarang  lampu light emitting diode (LED) sudah banyak digunakan  untuk  keperluan  rumah  tangga sampai dengan industri. LED untuk keperluan rumah  tangga  lebih  cenderung  kepada kebutuhan penerangan, misalnya lampu untuk penerangan  ruangan  sedangkan  pada  industri diterapkan  barang-barang  elektronik  dan otomotif,  misalnya  untuk  layar  televisi  dan pada  lampu  kendaraan.    Meskipun  harganya relatif  mahal,  namun  lampu  LED  sangat diminati oleh masyarakat dikarenakan hasilnya  lebih  terang  dan  penggunaan
dayanya  sangat  rendah  sehingga  dapat  lebih menghemat energi listrik.
Jenis  lampu  LED  yang  banyak digunakan  untuk  penerangan  menggunakan jenis Chip  On  Board (COB),  karena mempunyai cahaya yang terang dan tegangan rendah.  Lampu  LED  menghasilkan  panas yang berasal dari chip lampu LED. Timbulnya panas akan mengakibatkan performa  dari  lampu  LED  tersebut  menurun, bahkan  pada  tingkat  yang  lebih  serius  dapat mengakibatkan lampu LED tersebut mengalami  kerusakan.  Untuk  menjaga  agar performa  lampu  LED  tetap  baik  maka  di butuhkan proses pembuangan panas yang baik dengan menggunakan heatsink sebagai elemen  pelepas  panas,  sedangkan  efektifitas
heatsink tergantung  dari  jenisnya.  Jenis heatsink yang  sering  digunakan  adalah heatsink plate bersirip jenis Extruded.
Pada  penelitian  ini  cenderung  untuk mengetahui  karakteristik  dari  lampu  LED jenis  COB  dengan  sistem  pendingin  pasif menggunakan heatsink konvensional.
Harapan kedepan penelitian ini bisa dikembangkan  lebih  lanjut  sehingga  dapat menghasilkan  lampu  LED  yang  paling optimal.
Perpindahan  panas  adalah  transfer energi  yang  terjadi  akibat  perbedaan  suhu. Perbedaan suhu ini dianggap sebagai pendorong yang menyebabkan panas mengalir [5].
Konduksi  adalah  perpindahan  panas melalui  bahan  padat  dengan  cara  kontak langsung.  Material  logam  biasanya  menjadi konduktor terbaik untuk perpindahan panas.
Dimana :
Q cond adalah  jumlah  panas  yang  ditransfer melalui konduksi (W), K  adalah  konduktivitas thermal dari  material (W / m K),
A  adalah  luas  penampang  bahan  yang mengalirkan panas (m 2 ), ∆T  adalah  gradien  suhu  di  material  (°  C),Δx adalah  jarak  untuk  panas  harus  melakukan perjalanan (m).
Konveksi adalah transfer panas melalui  pergerakan  cairan  dan  gas.  Dalam sistem  lampu  LED,  biasanya  transfer  panas dari material konduktor ke udara ambient .
Dimana : Q conv adalah  jumlah  panas  yang  ditransfer melalui konveksi (W),
h  adalah  koefisien  perpindahan  panas  (W  / m 2 K),
A adalah luas permukaan (m 2 ),
ΔT adalah gradien suhu di material (°C), biasanya  perbedaan  antara  suhu  permukaan dan suhu udara lingkungan.
Permukaan  padat-udara  merupakan hambatan termal ( Thermal resistance) terbesar [6]. Thermal resistance didefinisikan sebagai  kenaikan temperature diantara  2 lokasi panjang  garis panas ketika 1 Watt dari panas adalah menjadi tidak teratur.
Dimana : Tx = Temperatur pada lokasi x (°C),
Ty = Temperatur pada lokasi y (°C), q = Total panas diuraikan (°C/W).
Panjang  gelombang  yang  dominan, luminositas  dan  tegangan  maju  dari  lampu LED semua tergantung pada suhu persimpangan LED [7]. Temperature persimpangan  LED  adalah  ukuran  kritis perakiraan  usia  nyala  lampu  LED.  Lampu LED  punya  ukuran  maksimum temperature junction. Temperature junction akan
mengurangi  performa  dan  usia  lampu  LED, hal itu menyebabkan kehilangan lumen [6].
Dimana : T J adalah suhu persimpangan (°C),
T sp adalah suhu  yang diukur pada  titik solder (°C),
R th adalah thermal  resistance dari  komponen (°C / W), q adalah kekuatan thermal (W).
Pendingin pasif menyeimbangkan temperatur  melalui  penyebaran  aliran  energi secara  alami,  baik  secara  konduksi,  konveksi maupun radiasi. Pendingin pasif salah satunya heatsink sering  digunakan  pada  perangkat komputer. Heatsink adalah  logam  dengan design khusus  yang  terbuat  dari  bahan aluminium  atau  tembaga  (bisa  merupakan kombinasi  dari  kedua  bahan  tersebut)  yang berfungsi  untuk  memperluas  transfer  panas. Heatsink digunakan  untuk  menyerap  panas yang  biasanya  dipadukan  dengan fan pada heatsink untuk  mengoptimalkan  penyerapan panas  dengan  mengalirkan  udara  untuk menjaga thermal dari heatsink, semakin  luas
area  permukaan heatsink maka  akan  semakin cepat proses pendinginanya.
Heatsink bekerja selama proses penghasilan  panas  lampu  LED  itu  bekerja. Heatsink akan  menerima  panas  dari  LED pada  permukaan  yang  bersentuhan  kemudian panas  tersebut  akan  dialirkan  menyebar  ke seluruh  bagian  permukaan heatsink dengan sama  rata  besarnya  melalui  sirip  siripnya. Panas  yang  telah  menyebar  ke  seluruh permukaan heatsink akan  diuraikan  ke  ruang bebas. Jika heatsink untuk  LED masih  belum dapat  menstabilkan thermal,  temperature junction LED  maka  dibutuhkan  komponen tambahan  berupa fan untuk  mendinginkan pendingin pasif heatsink .

## METODOLOGI PENELITIAN
Metode  penelitian  dibagi  menjadi  dua macam  yaitu  dengan  studi  pustaka  dan eksperimen. Eksperimen
dilakukan
diLaboratorium Energy Universitas Ibn Khaldun  Bogor.  Eksperimen  yang  dilakukan dengan menggunakan data logger , multitester untuk  mengukur  temperatur,  Ampere  dan Voltase,    dan  lux  meter  untuk  mengukur intensitas cahaya.
Pengujian  dan  pangambilan  data dilakukan  dengan  cara  lampu  LED  dipasang pada heatsink , kemudian dipasang pada tripod dengan  jarak  antara  lampu  LED  dengan  lux meter  berjarak  1  meter,  beberapa  titik  dari rangkaian LED dihubungkan pada data logger dan  cahaya  dari  lampu  LED    diarahkan menyinari  lux  meter.  Pertama  melakukan pengujian  lampu  LED heatsink aluminium dengan  tegangan  listrik  26  V,  pengambilan data  setelah  lampu  LED  menyala  selama  60 menit,  data  diambil  pada  bagian  T1 Thermal Pad ,  T2  base heatsink ,  T3  fin heatsink ,  T4 ambient  dan  lux.  Kemudian  tegangan  lampu LED diganti menjadi 27 V, 28 V, 29 V, 30 V, 31 V, 32 V, dan 33 V per 60 menit.
Penelitian  ini  mengunakan  sebuah lampu  LED Chip  On  Board (COB)  dan  2 Heasink .
Gambar.  1 Heatsink 1 Aluminium Kombinasi Tembaga
Gambar.  2 Heatsink 2 Aluminium
Adapun  spesifikasi  lampu Chip  On  Board (COB) yang digunakan adalah sebagai berikut :
1. Daya maksimum : 10 W.
2. Thermal resistance : 2,0 ° C / W.
3. Temperature  junction maksimum  :  120 °C.
4. Tegangan Maju : 26 – 33 Volt
5. Suhu Operasi : -30 o C to 85 o C
2.1 Bahan dan Alat Penelitian Untuk  bahan  dan  alat  penelitian dikelompokan menjadi 2 bagian antara lain:
2.1.1  Bahan Penelitian
Bahan  yang  digunakan  dapat  dilihat pada Tabel berikut :

## Tabel 1. Bahan Penelitan
Alat yang dipergunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Tabel berikut :

## Tabel 2. Alat Penelitian
No Alat Jumlah 1 Data Logger 1 pcs 2 Multitester 1 pcs 3 Power Suply 1 pcs
4 Lux Meter
1 pcs

## Gambar 3. Peralatan Penelitian
Eksperimen  yang  dilakukan  dengan menggunakan  data logger untuk  mengukur temperatur,  multitester  untuk  mengukur
ampere dan voltase ,    dan lux meter  untuk mengukur intensitas cahaya. Studi eksperimen menggunakan  lampu Chip  On  Board (COB) dengan  menggunakan  peralatan  yang  terdiri dari  data logger GL240  (6  channel)  dengan termokopel type K, DC power supply dengan jangkauan tegangan 0-40 V dan arus 5 A, dan sebuah laptop untuk mengolah data
Gambar 4. Set Up Eksperimen
Gambar 5. Heatsink yang digunakan
Akan dibandingkan pengaruh daya masukan  terhadap  performa  LED,  temperatur thermal pad dan temperatur heatsink

## HASIL DAN BAHASAN
Spesifikasi diatas bisa dijadikan gambaran  secara  umum  mengenai  studi eksperimental  pendingin  pasif  lampu  LED Chip  On  Board (COB)  untuk  aplikasi  pada penerangan  ruangan.  Pengujian  rangkaian LED dilakukan dalam ruangan yang memiliki
nilai  lumens  0,  Dari  hasil  pengujian mendapatkan data sebagai  berikut :
Tabel 3. Hasil Pengujian Heatsink 1
Tabel 4. Hasil Pengujian Heatsink 2
Panas  akan  dialirkan  secara  konduksi dari  LED chip ke thermal  Pad /PCB, kemudian  konduksi  berakhir  pada heatsink exstrude bersirip.  Panas  berpindah  secara konveksi  dari heatsink  exstrude aluminium menuju  lingkungan  sekitar.  Konveksi  alami memiliki  peranan  utama  dalam  perpindahan anas  pendingin  pasif,  yaitu  dari heatsink menuju  lingkungan  dibandingkan  konduksi dan radiasi.
Untuk  menghitung  daya (p=Watt) yang  dihasilkan  dari  settingan Voltase pada saat  penelitian,  maka  didapatkan  nilai  di bawah ini sesuai dengan rumus :
....................................... (4.1 )
Dimana :
P= Daya lampu dalam satuan ( watt )
I = Arus masuk dalam satuan ( ampere )
V= Voltase yang  dihasilkan  dalam  satuan ( volt )
Tabel 5. Data Arus LED Dengan Heatsink
1 ( Kombinasi Tembaga )
Tabel 6. Data Arus LED Dengan Heatsink 2 (Aluminium)
Perbandingan  data  daya  vs  lux  yang dihasilkan oleh heatsink 1 dan heatsink 2.
Gambar 6. Grafik Lux Terhadap Daya Heatsink 1
Gambar  diatas  menunjukan  pengaruh daya masukan terhadap lux  yang terjadi pada heatsink  1.  Dari  grafik  tersebut  dapat disimpulkan  semakin  tinggi  nilai  daya  maka semakin tinggi pula nilai Lux yang dihasilkan.
Gambar 7. Grafik Lux Terhadap Daya

## Heatsink 2
Gambar  diatas  menunjukan  pengaruh daya masukan terhadap lux  yang terjadi pada heatsink  2.  Dari  grafik  tersebut  dapat disimpulkan  semakin  tinggi  nilai  daya  maka semakin tinggi pula nilai Lux yang dihasilkan.
Dibawah  ini  menunjukan  performa LED  yang  semakin  menurun  dengan  naiknya nilai Lux.
Gambar 8. Grafik Lux/Watt Terhadap Daya
Heatsink 1
Gambar 9. Grafik Lux/Watt Terhadap
Daya Heatsink 2
Karakteristik  panas  yang  terjadi  dapat diambil  data  menggunakan  data  logger, berikut dibawah ini adalah hasil pengujian.
Grafik hasil pengujian tegangan masukan  yang  diberikan  yaitu,  26V,  27V, 28V, 29V, 30V, 31V, 32V, 33V. dapat dilihat dengan data sebagai berikut :
Gambar 10. Grafik Pengaruh Tegangan Masukan Terhadap Temperatur Thermal

## Pad
Gambar  diatas  menunjukan  Grafik pengaruh tegangan masukan terhadap temperatur Thermal  Pad. Dari grafik tersebut nilai  temperatur  relatif thermal  pad yang paling  rendah  adalah  heatsink  2  dan
temperatur yang paling tinggi adalah heatsink 1.  Hal  ini  bisa  jadi  karena  perbedaan  luas permukaan atau perbedaan bentuk heatsink itu sendiri.  Dari  grafik  tersebut  juga  didapat bahwa  semakin  besar  tegangan  masukan maka semakin besar panas yang dihasilkan.
Gambar 11. Grafik Pengaruh Tegangan Masukan Terhadap Temperatur Base Heatsink
Base heatsink adalah permukaan  yang menempel pada thermal pad dan pada bagian ini base plate paling pertama menerima aliran konduksi  dari thermal  pad .  Gambar  4.6 Grafik menunjukan nilai relatif pada permukaan base  heatsink, maka  dapat  dilihat nilai  temperatur  relatif  heatsink  1  paling tinggi untuk setiap tegangan masukan. Hal ini bisa  jadi  karena  perbedaan  bahan  pada permukaan  base  plate  diantara  heatsink tersebut.

## Gambar 12. Grafik Pengaruh Tegangan
Masukan Terhadap Temperatur Fin

## Heatsink
Gambar  12  menunjukan  grafik  pengaruh tegangan  masukan  terhadap  temperature relatif    heatsink.  Dari  grafik  didapatkan temperatur  relatif fin  heatsink yang  paling tinggi adalah  heatsink  1.  heatsink  2 menunjukan  nilai  temperatur  lebih  rendah daripada  heatsink  1.    hal  ini  bisa  jadi  karena desain  atau  konfigurasi  fin-finnya  yang mudah melepas panas.

## Gambar 13 Grafik Pengaruh Tegangan Masukan Terhadap Nilai Lux
Gambar  13    menunjukan  pengaruh tegangan  masukan  terhadap  lux.  Dari  grafik terlihat  bahwa  nilai  lux  paling  tinggi  adalah heatsink  1.  Dan  dari  grafik  tersebut  dapat disimpulkan  semakin  tinggi  nilai  tegangan maka  semakin  tinggi  pula  nilai  Lux  yang dihasilkan.

## KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengujian rangkaian LED  jenis Chip  On  Board (COB)  dengan menggunakan 2 heatsink yang berbeda,  maka dapat  diambil  beberapa  kesimpulan  sebagai berikut :
1) Semakin  besar  nilai  tegangan  masukan maka  semakin  tinggi  nilai  lux  akan  tetapi performa  LED  semakin  menurun  dengan tingginya nilai temperatur junction.
2) Konduktifitas  bahan  diluas  area  heatsink sangat berpengaruh pada temperatur thermal pad.
3) Performa  lampu  LED  sangat  bergantung kepada  jenis  pendingin  dan  bahan  yang digunakan,  LED  dengan heatsink 1  lebih besar  nilai  lux  yaitu  1363  dibandingkan dengan heatsink 2 yaitu 1251.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Janna,  William  S, Engineering  Heat Transfer, Second  Edition , Associate Dean  For  graduate  Studies  And Research Herff College Of Engineering The  University  of  Memphis,  Memphis
Tennessee, 2000.
[2] Cengel,  Yunus  A, Heat  Transfer  a Practical  Approach ,  Second  Edition , Mc  Graw-Hill  Higher  Education, Singapura, 2003.
[3] Yunianto, Bambang, Pengujian Perpindahan  Panas  Konveksi  Pada heatsink Jenis Extrude ,  FT-UNDIP 2008. [4] X.  Lu,  T.  Hua  and  Y.  Wang, Thermal analysis  of  hight  power  LED  package with heat pipe heatsink , Micro electronic journal, 2011. [5] Infomasi pada
http.//www.cree.com/~/media/Files/Cr ee/LED%20Component%20and%20M
odules/XLamp%20Aplication%20Notes /XLampThermalManagement. pdf.
[6] AVAGO_ Thermal Management of PLCC  SMD  LEDs_Aplication  Note
5373. pdf.
[7] Prendergast, Patrick, PSoC Applications Engineer, Cypress Semiconductor Corp . pdf