## Pengaruh  Dimensi Kumparan Terhadap Efisiensi Energi  Pada Sistem Pengiriman Daya Listrik  Tampa Kabel

## Syaifurrahman
Staf Pengajar, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Tanjungpura Pontianak e-mail: syaifurrahman@teknik.untan.ac.id
Abstract – Penelitian  ini  bertujuan  untuk  melihat pengaruh  dimensi  kumparan  terhadap  efisiensi  pada sistem  pengiriman  daya  listrik  tanpa  kabel,  selain mengkaji  hubungan  antara  jarak  pengukuran  antara bagian  pengirim  dengan  bagian penerima  terhadap efisiensi  energi.  Penelitian  listrik  tanpa  kabel  ini menitikberatkan pada sebuah kumparan  pengirim yang dihubugkan  dengan  rangkaian  pembangkit  frekuensi dan    menghasilkan  medan electromagnet / induksi magnetik    di  sekitar  kumparan  tersebut. Medan elektromagnet dapat  dikonversi  menjadi  energi  listrik jika    ditangkap  oleh  kumparan penerima yang  berada disekitar medan tersebut. Tegangan listrik akan muncul pada  ujung-ujung  konduktor  dari  kumparan penerima. Kumparan penerima dibuat dalam  berbagai ukuran dan dimensi  agar  dapat  diketahui  dimensi  kumparan  yang sesuai  untuk  frekuensi  tertentu  pada    pegiriman  daya tanpa kabel.
Berdasarkan  hasil  pengujian  proses  pengiriman  daya listrik  tanpa  kabel,  besar  kecil  tegangan  dan  arus  yang dihasilkan  pada  kumparan  penerima  sangat  tergantung dari  jarak  antara  kumparan  pengirim  dan  kumparan penerima.  Efisiensi  energi  tertinggi  pada  pengiriman tanpa  kabel  sebesar  76%  untuk  diameter  kawat  1mm, diameter  kumparan 9cm dan 20 lilitan
Keywords – dimensi , kumparan, Efisiensi energi

## 1. Pendahuluan
Pengiriman  daya  listrik  tanpa  kabel    merupakan sistem    penyaluran    energi  listrik  dengan    media tranmisinya  adalah  udara.  Sistem  Pengiriman  daya tanpa kabel terdiri dari dua bagian, yaitu  sebuah sumber energi  listrik  sebagai  transmitter  (Pengirim)  dan    beban listrik  sebagai  receiver  (penerima). Satu  sumber  energi listrik  dapat  digunakan  untuk  lebih  dari  satu  beban listrik  sehingga  daya  listrik  yang  diserap  lebih  kecil karena hanya menggunakan satu sumber energi listrik .
Transfer energy nirkabel pertama kali dilakukan oleh Nikola  Tesla  [1],  yang  melakukan  demonstrasi  transfer energy  menggunakan  kumparan  tembaga  pada  awal tahun  1900.  Transfer  energy  nirkabel  terdiri  dari  tiga katagori, yaitu transfer jarak dekat, menengah dan jauh. Penelitian-penelitian  saat  ini  banyak  dilakukan  pada transfer  energy  jarak  dekat  dan  menengah  [2]-[5], karena  lebih  mudah  diaplikasikan. Pengiriman daya listrik tanpa  kabel menggunakan  metode  kopling
magnetik/induktif dan memanfaatkan fenomena resonansi dari  medan  elektromagnetik.  Ketika  kopling magnetik/  induktif  digunakan  untuk  transfer  energy menggunakan prinsip resonansi. Pengirim dan penerima pada  kopling  diset  pada  frekuensi  tertentu  dan mengubah sinyal listrik dari sinusoidal menjadi transient non sinusoidal.
Daya  atau energi dikirimkan  dengan  jumlah gelombang  yang  banyak atau  frekuensi  tinggi.  hal  ini bertujuan  untuk  pengiriman  energi  dengan  jarak  yang lebih besar beberapa kali dari pemancar. Bagian penting dalam    pembangkitan  medan  elektromagnetik  adalah penggunaan  kumparan  baik  pada  bagian  pengirim maupun pada bagian penerima. Pada penelitian  ini akan di rancang berbagai jenis dimensi dan ukuran kumparan khususnya pada bagian penerima dengan  maksud  untuk melihat  sejauh  mana  kemampuan    kumparan  penerima mengubah  gelombang  elektromagnetik  menjadi  energi listrik.

## 2. Rangkaian Pengirim Dan Penerima
Sistem pengiriman Daya tanpa kabel terdiri dari dua bagian utama,  yaitu bagian  Pengirim dan bagian penerima. Bagian pengirim berperan membangkitkan gelombang  elektromagnetik atau induksimagnetik, sedankan  bagian  penerima  menerima  gelombang elektromagnetik menjadi tegangan listrik  bolak balik .
Gambar 1. Diagram Blok sistem pengiriman daya tanpa kabel
Rangkaian  pengirim terdiri  dari  osilator,  penguat daya,  dan kumparan  pengirim (lihat  Gb.1). Rangkaian Penerima menangkap energi dari medan elektromagnetik  yang  dibangkitkan  oleh  rangkaian pengirim.  Untuk  dapat menerima energi  sebanyak- banyaknya  maka kumparan penerima dilengkapi dengan resonansi  kapasitor. Kumparan penerima dapat dibuat  dari  beberapa  lilitan  kawat  tembaga.  Untuk menghasilkan tegangan searah dc pada bagian penerima, maka  listrik  bolak-balik  yang  diterima  oleh kumparan penerima perlu  disearahkan  menggunakan  rangkaian penyearah (rectifier) agar menghasilkan luaran tegangan searah.  Tegangan  searah  kemudian  diberikan  ke
regulator  yang  berfungsi untuk  menstabilkan  tegangan keluaran.

## 3. Pembangkit Frekuensi [8]
Osilator  adalah  rangkaian elektronik  yang  dapat menghasilkan tegangan keluaran bolak balik (alternating  current)    dengan  frekuensi  tertentu.  Untuk membuat    osilator  dibutuhkan  penguat  umpan  balik positif,    gagasannya    ialah  menggunakan  sinyal  umpan balik  sebagai  sinyal  masukan.  Sebuah  osilator  adalah sebuah  penguat  yang  telah  diubah  dengan  umpan  balik positif  sehingga  dapat  dimanfaatkan  untuk  memberikan sinyal  masuk.    Osilator  Collpit  merupakan  salah    satu jenis osilator yang  baik  digunakan  untuk  pembangkit gelombang  sinus pada  jangkauan frekuensi antara 10kHz  hingga  10MHz.  Osilator  ini  menggunakan rangkaian  tertala LC dengan umpan  balik  positif melalui suatu pembagi tegangan kapasitif dari rangkaian tertala.
Osilator colpitts  merupakan salah jenis osilator  yang menerapkan  rangkaian  prategangan  pembagi  tegangan yang menetapkan titik operasi  tenang. Dengan demikian rangkaian  ini  mempunyai  penguat  tegangan    dengan frekuensi rendah.
Gambar 2. memperlihatkan  rangkaian  osilator  collpits yang digunakan.
R 1 R 3 R 2 L 1 L 2 C 2 C 1 C 3 C 4 + Vcc
Gambar 2. Rangkaian Osilator Colpitts
Kapasitor C3 merupakan kopling keluaran sinyal AC  yang  dikembalikan  ke  rangkaian  tangki  L1  C1 C2,  berupa  umpan  balik  positif.  Tegangan  yang terjadi  pada  kapasitor  C1  merupakan  tegangan umpan  balik  yang  diberikan  ke  basis  transistor  Q1. Kemudian  sinyal  AC  akan  dikuatkan  oleh  transistor Q1,  bias  basis  Q1  dihasilkan  oleh  R1  dan  R2. Tegangan  bias  R1  dan  R2  berfungsi  mengatur  titik operasi  transistor  Q1.  Rangkaian  LC  paralel dibentuk  dari  gulungan  L1  dan  kapasitor  C1,  C2. Kedua  kapasitor  ini  secara  seri  berfungsi  seperti sebuah  kapasitor  tunggal  selama  resonansi  LC. Cabang  tengah  kedua  kapasitor  merupakan  jalur umpan  balik  terhadap  emitor  transistor  melalui ground.  Jika  nilai  kedua  kapasitor  tersebut  sama, kapasitansi  efektif  total  dalam  jaringan  LC  akan sama  dengan  setengah  nilai  masing-masing  secara terpisah.  Jika  nilai  kedua  kapasitor  ini  tidak  sama, maka nilai kapasitansi total didapatkan 1/CT.= 1/C1 + 1/C2.
Osilator  colpitt  dapat menghasilkan  gelombang sinus  yang  sempurna  yaitu  mempunyai  amplitudo konstan dan frekuensi stabil
Frekuensi  resonansi  yang  terjadi  pada  keluaran osilator dapat dinyatakan dengan persamaan

## 1
Kapasitansi  yang  digunakan  pada  persamaan  ini  adalah kapasitansi  ekivalen  yang  dilalui  arus  simpal tertutup. Dalam  bejana  collpits  pada  gambar  3,  arus  yang mengalir  melalui  C1  seri  dengan  c2.  Jadi  kapasitansi ekivalen adalah
2

## 4. Metode Penelitian
Bagian penting dalam sistem pengiriman tanpa kabel adalah    kumparan  pengirim  dan  penerima.  Kumparan pengirim berfungsi mengubah sinyal bolak-balik  ac dari rangkaian  osilator  menjadi  medan  elektromagnetik sekitar kumparan,  kumparan  penerima  mengubah medan  elektromagnetik  menjadi  sumber  tegangan  ac. Pada  penelitian  ini    kumparan  pengirim  dibuat  dalam satu ukuran, yaitu dibuat dengan kawat email ukuran 1,7 mm, dua lilitan dan diameter lingkaran 8 cm. Kumparan penerima  dibuat  dalam  berbagai  ukuran  yang  berbeda (gambar  2),  mulai  dari  diameter  kawat,  diameter lingkaran  maupun  jumlah  lilitan  seperti  terlihat  pada tabel 1.
Tabel 1. Dimensi kumparan yang diuji
Gambar 2. Kumparan Penerima Kumparan  pengirim  diletakkan  pada  bagian  yang diam  (tidak  dapat  digerakkan),  dan  kumparan  penerima diletakkan  pada  bagian  yang  dapak  bergerak  sehingga dapat  digeser  kekanan  atau  kekiri.  Dengan  menggeser kumparan penerima akan diperoleh  jarak yang berbeda dan  hubungan  jarak  terhadap    daya  pancar    dari  sistem pengiriman  daya  tanpa  kabel  dapat  diperoleh.  Pada
bagian  ujung  dari  kumparan  dihubungkan  dengan  alat ukur voltmeter, ampereter  dan osiloskop.
Gambar 3. Metode pengukuran daya pencar terhadap jarak
Pengukuran  pertama  dilakukan  pada  jarak  0  cm dimana    kumparan  penerima  dan  pengirim  tidak  ada jarak. Besaran  listrik yang diukur berupa arus input dan tegangan  input  pada  rangkaian  pengirim  serta    arus output  dan  tegangan  output  pada  rangkaian  penerima. Selanjutnya  geser  rangkaian  penerima  pada  jarak  1  cm dan  lakukan  pengukuran  seperti  sebelumnya.  Hitung daya  input  dan  daya  output  dari  hasil  pengukuran tersebut serta hitung juga efisiensi yang di hasilkan.

## 5. Hasil dan Pembahasan
Pengujian  dilakukan  dengan cara  melakukan pengukuran  arus  dan  tegangan  pada  setiap  kumparan berbeda  dimensi  dengan  jarak  yang  bervariasi.  Hasil pengukuran  terhadap  rangkaian  pengirim  menunjukkan frekuensi  osilasi  yang  dibangkitlah  oleh  rangkaian osilator  sebesar  2,5  MHz,  dengan  arus  tarikan/input normal  (tanpa  rangkaian  penerima)  sekitar  200  mA untuk  tegangan  catu  daya  12  V.  Spesifikasi  kumparan pengirim  mempunyai  diameter  kawat  1,8  mm  dan diamater kumparan 8 cm dan 2 lilitan.
Tabel 1. Hasil pengukuran tegangan dan arus untuk diameter kawat 1mm, diameter kumparan 3cm dan 10 lilitan
Ada 24 kumparan penerima dengan berbagai macam ukuran  yang  diuji/diukur,  dari  semua  hasil  pengukuran menunjukkan  perilaku  yang  sama.  Pada  bagian pembahasan  ini  hanya  ditampilkan  dua  buah  hasil pengukuran  terhadap  seperti  diperlihatkan  pada  tabel  1. Dan tabel 2.
Tabel 2 Hasil pengukuran tegangan dan arus untuk diameter kawat 1mm, diameter kumparan 9cm dan 20 lilitan
Tabel  1  memperlihatkan  hasil  pengukuran  terhadap kumparan  dengan  diamater  kawat  1mm,  diameter kumparan  3cm  dan  20  lilitan.  Pada  jarak  pengukuran  0 cm, tegangan keluaran tertinggi yang dihasilkan sebesar 10,33  V  dengan  arus  keluaran  88,10  mA  dan  arus masukan  204,4  mA,  besar  tegangan  dan  arus  ini  akan berubah  seiring  perbuahan  jarak. Semakin  jauh  jarak pengukuran  yang  dilakukan  besar  tegangan  dan  arus yang dihasilkan semakin menurun, hingga pada jarak  9 cm  tegangan  keluaranyangterukur  0,4  V  dan  arus keluaran sudah tidak terukur. Tabel 1 juga memperlihatkan  besar  daya  yang  dihasilkan, daya diperoleh  dari  hasil  perkalian  arus  dan  tegangan.  Daya input  hasil  pekalian  arus  masukan  dan  tegangan  suply, daya  keluaran  hasil  perkalian  arus  keluaran  dan tegangan keluaran. Daya tertinggi diperoleh pada jarak 0 cm sebesar 910,073 mW.
Tabel  2  memperlihatkan  hasil  pengukuran untuk kumparan  penerima  dengan    diameter  kawat  1mm, diameter  kumparan  9cm  dan  20  lilitan.  Dari  hasil pengukuran diperoleh daya keluaran maksimum 1878,54 mW  lebih  besar  dari  daya  keluaran  untuk  kumparan tabel  1  sebesar  910,073 mW  atau  efisiensi  energi  yang dihasilkan sebesar 76%.
Teknologi  pengiriman  daya  tanpa  kabel  ini  masih pada  tahap  pengujian    yang  menekan  pada  munculnya daya pada rangkaian penerima. Efisiensi yang dihasilkan pada  teknologi  ini  masih  tergolong  rendah  dan  jarak yang  relatif  dekat.  Ada  dua  grafik  yang  di  sajikan  pada pembahasan  ini  berkaitan  dengan    efisiensi  yang dihasilkan pada tabel.
Gambar 4. Hubungan Efisiensi  dan jarak pengukuran terhadap dua kumparan berbeda lilitan (diameter kumparan (D2) = 3cm dan diameter kawat (d2)  = 1mm)
0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 jarak (cm) efi sie ns i t ra ns fer d ay a ( % ) N 2 = 10 N 2 = 20
Grafik  pada  gambar  4    memperlihatkan  hubungan antara  jarak  pengukuran  kumparan  pengirim  dan penerima  terhadap  efisiensi  yang  dihasilkan  dari  dua buah  kumparan penerima dengan ukuran diameter  yang sama dan jumlah lilitan yang berbeda.
Dapat  dilihat  pada  grafik  di  atas  bahwa  kumparan dengan  jumlah  lilitan    20  menghasilkan  efisiensi  50  % lebih  tinggi  dari  efisiensi  kumparan  10  lilitan  yang sebesar  38%  pada  jarak  0  cm  selama  pengujian. Efiseinsi ini akan menurun seiring dengan bertambahnya jarak antara kumparan pengirim dan penerima. Efisiensi mencapai angka nol % pada saat jarak yang diberikan  di atas 5 cm.
Gambar 5. Hubungan Efisiensi  dan jarak pengukuran terhadap tiga kumparan berbeda diameter kawat (diameter kumparan (D2) = 3cm, jumlah lilitan (N2) = 20)
Grafik  pada  gambar  5  memperlihatkan  hubungan antara  jarak  pengukuran  kumparan  pengirim  dan penerima  terhadap  efisiensi  yang  dihasilkan  dari  tiga buah  kumparan  dengan  ukuran  diameter  kumparan sama,  jumlah lilitan sama dan diameter kawat berbeda. Pada grafik gambar 5 dapat diamati bahwa pada jarak 0 cm  kumparan  dengan  diameter  kawat  1,0  mm menghasilkan efisiensi yang paling tinggi sebesar  50 % dibandingkan  kumparan dengan  diameter  0,7  mm  dan 0,3  mm.  Kumparan  dengan  diameter  0,7 mm menghasilkan  efisiensi  maksimum    sebesar  46  %  dan kumparan  berdiameter  0,3  mm  menghasilkan  efisiensi maksimum    sebesar  35  %    pada  jarak  0  cm.  Nilai Efisiensi  dari  ketiga  kumparan  akan  menurun  dengan semakin bertambahnya jarak pengukuran antara kumparan pengirim  dan  penerima.    Dari  pengukuran terhada  ketiga  kumparan  efisiensi  mendekati  0%  pada jarak diatas 5 cm.
Berdasarkan  pengamatan  terhadap  grafik  gambar  1 dan  2  bahwa  kumparan  dengan  jumlah  lilitan  20  dan dimater kawat 1  mm  memiliki nilai efisiensi  yang lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran kumparan yang lain. Namun  demikian  nilai  efisiensi  mendekati  nol  untuk ketiga kumparan pada jarak sekitar 5 cm.
6. Kesimpulan
- Berdasarkan hasil pengujian proses pengiriman daya listrik tanpa kabel dapat dilakukan dengan memanfaatkan induksi magnetik.
- Besar kecil tegangan dan arus yang dihasilkan sangat tergantung  dari  jarak antara  kumparan  pengirim  dan kumparan penerima
- Untuk  kumparan  dengan  diamater  kawat  1mm, diameter  kumparan  3cm  dan  10  lilitan  Daya maksimum  yang dapat  dihasilkan  sebesar 910,073 mW
- Untuk  kumparan  dengan  diamater  kawat  1mm, diameter  kumparan  9cm  dan  20  lilitan  Daya maksimum  yang  dapat  dihasilkan  sebesar  1875,54 mW

## Referensi
[1] N.Tesla,  1914,  Apparatus  for  transmitting  electrical energy, U.S. paten nomor 1,119,732
[2]  G.  Vandevoorde,  and  R.  Puers,  2001,  Wireless  energy transfer for standalone
systems:  a  comparison  between  low  and  high  energy applicability,  Elsevier,  Sensors  and  Actuators  A:  Physical ,vol. 92, no. 1-3.
[3] J. Choi dan C. Seo, 2010, High efficiency wireless energy transmission  using  magnetic  resonance  based  on metamaterial  with  relative  permeability  equal  to  1, Electromagnetics Research, vol.106, no. 33
[4] S. J.Mazlouman, A.Mahanfar, danB.Kaminska, 2009, Mid- range  wireless  energy  transfer  using  inductive  resonance for  wireless  sensors,  IEEEInt,  Conf.  Computer  Design ICCD 2009.
[5] J. Park, Y.Tak,dan Y. Kim, danS. Nam, 2011, Investigation of  adaptive  matching  methods  for  near-field  wireless power  transfer,  IEEE  Trans.  Antennas and  Propagation, vol. 59, no.5.
[6] D. Fang,1994, Handbook of electrical galculations, Science and Technology Press, Shandong.
[7]  P.  A.  Valberg,  T.  E.  van  Deventer,  danM. H.Repacholi, 2007,  Workgroup  report:  Basestations  and  wire-less network  radio  frequency  (rf)  exposures  and  health consequences,Environmental  Health Perspectives  115,  no. 3.
[8]  Malvino, Barmawi, Prinsip-Prinsip Elektronika Jilid 1 dan 2, 1992, Erlangga.

## Biografi
Syaifurrahman, Lahir  di  Pontianak  pada  tanggal  21 September  1970  Gelar  S-1 diperoleh  dari    Universitas Tanjungpura  (UNTAN)  Pontianak  pada  tahun  1994 Tahun  1997  menyelesaikan  program  magister  (S-2) dalam  bidang  Teknik  Elektro  dari  Institut  Teknologi Bandung.    Sejak  tahun  1994  hingga  sekarang    menjadi staf  pengajar  pada  Jurusan  Teknik    Elektro  Fakultas Teknik Untan.  Jabatan akademis saat ini adalah sebagai anggota  Laboratorium  Elektroteknika  Dasar  Jurusan Teknik  Elektro  Untan.  Bidang  keahlian  yang  diminati, pengukuran listrik, elektronika, dan power elektronik.
0 5 10 15 20 0 10 20 30 40 50 jarak (cm) ef isi en si tr an sfe r d ay a (% ) d 2 = 0,3 mm d 2 = 0,7 mm d 2 = 1,0 mm