## Lantai Pembangkit Listrik Menggunakan Piezoelektrik dengan Buck Converter LM2596

## Abstrak
Piezoelektrik  adalah  sebuah  sensor  alat  yang  dapat  digunakan sebagai  sensor  jika diberi  tegangan  atau  penghasil  energi  listrik jika diberi tekanan. Jumlah Piezoelektrik yang digunakan untuk lantai  pembangkit  listrik  piezoelektrik  adalah  128  buah.  Lantai pembangkit  listrik  memanfaatkan  metode  balanced  cantilever. Output  tegangan  rata-rata  yang  dihasilkan  satu  elemen piezoelektrik  sebesar  1,76  Volt.  Output  tegangan  rata-rata  yang dihasilkan  komponen  piezoelektrik  rangkaian  seri  sebesar  1,55 Volt.  Output  tegangan  rata-rata  yang  dihasilkan  komponen piezoelektrik  rangkaian  paralel  sebesar  3,99  Volt.  Tegangan kosong  yang  dihasilkan  oleh  lantai  pembangkit  listrik  rata-rata sebesar  22,79  Volt.  Tegangan  yang  disearahkan,  disimpan kapasitor  rata-rata  sebesar  5,24  Volt.  Tegangan  drop  terjadi ketika  disambungkan  ke  buck  converter  LM2596  dengan  rata- rata  tegangan  sebesar  2,39  dan  arus  40,1  μA.  Tegangan  drop pada pengujian modul boost converter MT3608 rata-rata sebesar 1,63  Volt  dan  arus  54,8  μA.  Tegangan  drop  pada  pengujian modul  boost  converter  XL6009  rata-rata  sebesar  0,15  Volt  dan arus  54,6  μA.  Pengujian  peningkatan  tegangan  dilakukan dengan menggunakan rangkaian JT transistor mosfet menghasilkan rata-rata tegangan sebesar 1,65 Volt dan arus 38,7 μA.  Pengujian  untuk  meningkatkan  tegangan  menggunakan rangkaian  JT  transistor  bipolar  menghasilkan  tegangan  rata- rata  sebesar  0,88  Volt  dan  arus  81  μA.  Persentase  berdasarkan keseluruhan  hasil  pengujian  sistem  pemanenan  energi  adalah sebesar 0%.
Kata  Kunci —  Buck  Converter,  Joule  Thief,  Mosfet, Piezoelektrik, Pemanenan Energi

## Abstract
Piezoelectric  is  a  sensor  tool  that  can  be  used  as  a  sensor  if  a voltage is applied or a generator of electrical energy if it is under pressure. The number of Piezoelectrics used for the piezoelectric power plant floor is 128 pieces. The power plant floor utilizes the balanced  cantilever  method.  The  average  voltage  output produced by one piezoelectric element is 1.76 Volts. The average output  voltage  produced  by  the  piezoelectric  component  of  the series circuit is 1.55 Volts. The average output voltage generated by the piezoelectric component of a parallel circuit is 3.99 Volts.
The empty voltage generated by the floor of the power plant is on average 22.79 Volts. The rectified voltage, stored in the capacitor averages  5.24  Volts.  Voltage  drop  occurs  when  connected  to  the LM2596  buck  converter  with  an  average  voltage  of  2.39  and  a current of 40.1 A. The average voltage drop in the MT3608 boost converter module test is 1.63 Volts and the current is 54.8 A. The average voltage drop in the XL6009 boost converter module test is 0.15 Volts and the current is 54.6 A. The voltage increase test is carried out using a JT mosfet transistor circuit that produces an average  voltage  of  1.65  Volts  and  a  current  of  38.7  A.  Tests  to increase the voltage using a bipolar transistor JT circuit produce an  average  voltage  of  0.88  Volts  and  a  current  of  81  A.  The percentage  based  on  the  overall  test  results  of  the  energy harvesting system is 0%.
Keywords —  Buck  Converter,  Harvesting  Energy,  Joule  Thief, Mosfet, Piezoelectric

## I. PENDAHULUAN
Kebutuhan  akan  energi  sangat  penting  bagi  kehidupan manusia, salah satunya ialah kebutuhan terhadap energi listrik sehingga  menimbulkan  kebergantungan.  Energi  listrik  yang digunakan  saat  ini  masih  memanfaatkan  bahan  bakar  fosil yang  merupakan  sumber  daya  yang  terbatas  atau  bisa  habis apabila  digunakan  terlalu  banyak.  Menanggapi  masalah tersebut  banyak  peneliti  mencoba  untuk  mengembangkan sumber  energi  listrik  yang  bersumber  dari  energi  terbarukan. Salah  satu  pengembangan  energi  terbarukan  adalah  dengan memanfaatkan  sensor  piezoelektrik  sebagai  sumber  energi terbarukan yang dapat digunakan sebagai penghasil listrik.
Teknologi  pembangkit  listrik  dari  energi  piezoelektrik sangat menarik dikarenakan dapat menghasilkan listrik ketika material  mengalami  defleksi,  sehingga  piezoelektrik  diminati oleh  para  peneliti  dan  perekayasa,  dikarenakan  banyak  sekali bentuk-bentuk  penggunaanya  dalam  masyarakat  sekarang ataupun  dimasa  yang  akan  datang.  [1]  beberapa  penelitian terdahulu  yang  membahas  tentang  piezoelektrik  sebagai

## Diana Rahmawati
diana_rahmawati@yahoo.com Universitas Trunojoyo
Miftachul Ulum
miftachul_ulum@trunojoyo.ac.id
Universitas Trunojoyo

## Muhammad Farisal
myfarisal@gmail.com Universitas Trunojoyo
Koko Joni
kokojoni@trunojoyo.ac.id Universitas Trunojoyo
penghasil energi listrik yaitu pemanfaatan piezoelektrik untuk penghasil  listrik  di  jalan  raya[2],  polisi  tidur  piezoelektrik sebagai  pembangkit  listrik  [3],  panen  energi  menggunakan piezoelektrik  system  kantilever  [4],  lantai  pemanen  energi listrik  dengan  piezoelektrik  [5],  dan  analisis  desain  pickup piezoelektrik [6].
Mekanik  pembangkit  listrik  dari  piezoelektrik  dirancang dengan  memanfaatkan  metode  balanced  cantilever  untuk mengurangi  kerusakan  pada  rangkaian  piezoelektrik  ketika mengalami  defleksi.  inputan  tegangan  yang  dihasilkan  oleh lantai  pembangkit  listrik  piezoelektrik  akan  dialirkan  ke komponen penurun tegangan buck converter untuk distabilkan arusnya.  Arus  yang  telah  distabilkan buck  converter akan dialirkan  ke solar  charge  controller untuk  dipanen  dan disimpan pada media penyimpanan berupa baterai/aki.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Metode
Metode  yang  digunakan  pada  rancangan  mekanik  lantai pembangkit listrik adalah metode balanced cantilever. Metode kantilever  ( Balanced  Cantilever )  adalah  metode  yang digunakan  untuk  pembangunan  jembatan,  dimana  dengan memanfaatkan  efek  kantilever  seimbangnya  maka  struktur dapat  berdiri  sendiri,  menopang  berat  sendirinya  tanpa bantuan  sokongan  lain  seperti  perancah  atau  falsework.  [7] Metode  balanced  cantilever  sangat  efektif  karena  tidak mengganggu bagian bawahnya.
Gbr. 1 Metode Balanced Cantilever

## B. Piezoelektrik
Piezoelektrik  adalah  sebuah  sensor  alat  yang  terbuat  dari silikon  atau  germanium  yang  mampu  menghasilkan  energi listrik  ketika  mengalami  defleksi  (direct  piezoelektrik) sebaliknya,  ketika  diberikan  tegangan  akan  terdefleksi (inverse  piezoelektrik).  Piezoelektrik  dapat  mengalami defleksi  dengan  diberi  tekanan  secara  langsung  atau digetarkan  melalui  media  perantara  seperti  kantilever.[3] Pemberian  tekanan  secara  langsung  akan  menghasilkan tegangan  piezoelektrik  yang  sebanding  dengan  besar  gaya tekan akan tetapi, piezoelektrik rentan mengalami kerusakan.

## Gbr. 2 Piezoelektrik

## C. Rancangan Pengkabelan Piezoelektrik
Pengkabelan  pada  piezoelektrik  dilakukan  dengan  cara membuat  lubang  pada  polyfoam  untuk  jalur  kabel  agar solderan  piezoelektrik  terlindungi  dari  tekanan  langsung  dari bahan  yang  keras,  sehingga  piezoelektrik  dapat  digunakan untuk jangka waktu yang lama.
Gbr. 3 Konsep Pengkabelan Piezoelektrik

## D. Desain Mekanik
Desain  mekanik  dibuat  dengan  memanfaatkan  besi[8] sebagai  alas  tekanan dari  atas  dan  alas  bawah  dengan  ukuran dimensi  80  x  40  x  0,5  cm.  Bagian  dalamnya  terdapat  pegas sebagai  penahan  beban  pada  besi  dan  polyfoam  untuk melindungi  komponen  piezoelektrik  dari  tekanan  langsung, sehingga piezoelektrik tidak mudah rusak karena tekanan yang tinggi.
Pada  gambar  4  penempatan  pegas  dibagian  tengah,  untuk pengaplikasian  metode  balanced  cantilever  maka  pegas dirangkai  secara  parallel  agar  dapat  menahan  beban  ketika tidak dipengaruhi tekanan dari luar ataupun setelah mengalami tekanan  dari  luar.  Jumlah  pegas  dapat  diketahui  dengan melakukan  penghitungan  nilai  lebar  lantai  (l)  yang  dibagi dengan  penjumlahan  pada  diameter  pegas  (d p )  dan  diameter baut (d b ).[9]
n = (1)
Pegas yang digunakan berbahan dasar besi sehingga dapat diperhitungkan  massa  maksimum  yang  dapat  ditahan  oleh pegas. Massa maksimum (m) yang dapat merusak pegas dapat dihitung  apabila  diketahui  nilai  modulus  young  besi  (Ebesi),
Luas    penampang  pegas  (A),  perubahan  tinggi  pegas  ( x), tinggi pegas mula-mula (x), dan percepatan (a).
m=( )/a (2)
Gbr. 4 Desain Mekanik

## E. Buck Conventer
Buck  converter  adalah  converter  arus  searah  yang digunakan  untuk  menurunkan  tegangan  DC.  Prinsip  kerja rangkaian  ini  memanfaatkan  kendali  pensaklaran  dengan menggunakan dioda MOSFET  untuk membuka atau menutup rangkaian  sehingga  arus  yang  mengalir  dapat  dikendalikan sesuai  dengan  duty  cycle  yang  diinginkan.  Buck  converter dapat  dimanfaatkan  untuk  berbagai  aplikasi  seperti  sebagai catu daya motor dan charger aki.[10]
Gbr. 5 Datasheet Buck Conventer
TABEL I SPESIFIKASI BUCK CONVERTER LM2596
No. Spesifikasi Buck Converter LM2596 Spesifikasi Keterangan 1 Input DC 3,2 V – 46 V 2 Output DC 1,25 V – 35 V 3 Arus Maksimal 3 A 4 Efisiensi Step Down 92% 5 Output ripple 30 mV 6 Switching frequency 65 KHz 7 Operating Temperature - 45 o – 85 o C 8 Dimensi 43 x 21 x 14 mm 9 Berat 0,08 kg
Gbr. 6 Blok Diagram
1.  Piezoelektrik  merupakan  komponen  utama  pada  penelitian ini,  dirancang  dalam  bentuk  lantai  dan  digunakan  sebagai penyuplai daya  utama pada rancangan.
2.  Multimeter  digunakan  untuk  menguji  nilai  tegangan  yang dihasilkan oleh lantai pembangkit piezoelektrik.
3. Buck  Converter berfungsi  untuk  menurunkan  tegangan yang dihasilkan oleh sumber, menyesuaikan dengan tegangan input yang dibutuhkan controller yaitu ±13 volt.
4. Solar  Charge  Controller sebagai  pengontrol  arus  yang masuk dari sumber menuju media penyimpanan atau mengatur keluarnya daya dari media penyimpanan ke outputan. 5. Baterai adalah media penyimpanan daya pada rancangan ini.

## G. Flowchart
Pada  gambar  7 flowchart Lantai  Pembangkit  Piezoelektrik merupakan sumber energi listrik yang memanfaatkan tekanan sebagai  sumber  energinya.  Ketika  mendapatkan  tekanan sebesar  lebih  dari  625  N/m2  maka  piezoelektrik  akan menghasilkan listrik. Jika tidak, lantai pembangkit piezoelektrik tidak akan menghasilkan tegangan atau tegangan sama  dengan  0  volt.  Setelah  mengeluarkan  tegangan  sebesar lebih  atau  sama  dengan  13volt  maka  tegangan  akan diturunkan  oleh buck  converter dan  arus  akan  dialirkan menuju  solar  charge  controller.  Jika  tegangan  kurang  dari  13 volt  maka  arus  tidak  dialirkan.  Setelah  arus  melewati  buck converter,  arus  akan  masuk  ke  solar  charge  controller  untuk disimpan  di  media  penyimpanan.  Media  penyimpanan  yang digunakan adalah baterai.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Sistem kerja lantai pembangkit piezoelektrik adalah dengan memberikan  tekanan  berupa  injakan  manusia.  Berikut  ini adalah  pengujian  tegangan  yang  dihasilkan.  Elemen piezoelektrik  yang  digunakan  memiliki  diameter  (D)  2,7  cm dan  nilai  percepatan  (a)  yang  digunakan  sama  dengan percepatan gravitasi yaitu 9,8 m/s2, sehingga nilai tekanan (P) dapat dihitung dengan rumus:
P = F/A = m.a /A
(3)

## A. Pengujian Elemen Piezoelektrik
Pengujian  dilakukan  untuk  mengukur  tegangan  yang dihasilkan  oleh  1  buah  piezoelektrik,  9  buah  piezoelektrik yang  dirangkai  seri,  dan  9  buah  piezoelektrik  yang  dirangkai paralel.  Pengujian  ditujukan untuk  mengetahui  nilai  tegangan yang dapat dihasilkan oleh piezoelektrik ketika diberi tekanan berdasarkan  berat  badan  manusia.  Berikut  hasil  pengujian Elemen Piezoelektrik.
TABEL II

## PENGUJIAN ELEMEN PIEZOELEKTRIK
No. Hasil Pengujian Elemen Piezoelektrik Rangkaian Data Vrerata 1. 1 Piezoelektrik 15 1,76 2. Seri 15 1,55 3. Paralel 15 3,99 0 2 4 6 8 45 ,6 48 ,15
49 ,5 50 52 ,05 54 ,2 58 ,9 59 ,95 60 ,4 61 ,85 63 ,05 64 ,9 78 ,7 82 ,45
88 ,95 1 Piezo Seri Paralel
Gbr. 8 Grafik Tegangan Elemen Piezoelektrik

## B. Pengujian Lantai Pembangkit Listrik
Gbr. 9 Grafik Tegangan Lantai Pembangkit Listrik
Berdasarkan hasil pengujian elemen piezoelektrik didapatkan  hasil  bahwa  rangkaian  parallel  mengalami penjumlahan  nilai  tegangan  pada  masing-masing  tegangan yang  dihasilkan  oleh  tiap  elemen  piezoelektrik.  Maka piezoelektrik  dirangkai  secara  parallel  sebanyak  128  buah untuk  memaksimalkan  nilai  tegangannya.  Tegangan  rata-rata yang dapat dihasilkan sebesar 22,79 Volt.

## C. Pengujian Rangkaian Penyearah
Pengujian dilakukan dengan cara mengukur  tegangan pada kapasitor.  Tegangan  diukur  berdasarkan  nilai  tegangan  yang tersimpan  pada  kapasitor  setelah  lantai  pembangkit  listrik mengalami tekanan sebanyak 25 kali dengan berat badan yang berbeda.  Tegangan  rata-rata  yang  dapat  disimpan  oleh kapasitor sebesar 5,24 Volt.
Gbr. 10 Rangkaian Penyearah

## D. Pengujian Input Buck Converter LM2596
Pengujian bertujuan untuk mengetahui nilai tegangan input yang  akan  dialirkan  ke buck  converter LM2596.  Pengujian dilakukan  dengan  cara  menyambungkan  kapasitor  dari rangkaian penyearah ke input buck converter, penyambungan dilakukan  setelah  kapasitor  menyimpan  tegangan.  kemudian dilakukan  pengukuran  untuk  mengetahui  nilai  tegangan  dan arus yang mengalir.
Gbr. 11 Pengujian Input Buck Converter LM2596

## TABEL III
HASIL PENGUJIAN INPUT BUCK CONVERTER LM2596 Data ke- Hasil Pengujian Input Buck Converter LM2596 Massa (kg) Tekanan (P) Tegangan (V) Arus (mA) 1 45,60 P= = 1.396 N/m 2 2,12 0,027
2 48,15
P= = 1.474 N/m 2 2,28 0,028 3
49,50 P=
= 1.515 N/m 2 2,31 0,030
4 50,00
P= = 1.531 N/m 2 2,32 0,030
5
52,05 P= = 1.594 N/m 2 2,33 0,032
6
54,20
P=
= 1.660 N/m 2 2,36 0,032
7 58,90
P= = 1.803 N/m 2 2,39 0,037 8
59,95 P= = 1.836 N/m 2 2,40 0,040
9 60,40
P=
= 1.850 N/m 2 2,43 0,041
10
61,85 P= = 1.894 N/m 2 2,46 0,043 11 63,05 P= = 1.931 N/m 2 2,47 0,045 12 64,90 P= = 1.988 N/m 2 2,48 0,048 13 78,70 P= = 2.410 N/m 2 2,49 0,053
14 82,45
P= = 2.525 N/m 2 2,50 0,057 15 88,95 P= = 2.724 N/m 2 2,51 0,059 Rata-rata tegangan 2,39 0,040

## E. Analisis Sistem Pemanenan Energi
Nilai rata-rata tegangan ketika disambungkan ke input buck converter adalah  2,39  Volt.  Berdasarkan  data  tabel  diatas, nilai tegangan yang disimpan pada kapasitor mengalami drop tegangan  setelah  disambungkan  ke  input buck  converter LM2596.  Persentase  sistem  pemanenan  energi  berdasarkan tabel diatas dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut :
Persentase pemanenan energi =
x 100%
Persentase pemanenan energi = 0/15 x 100 % Persentase pemanenan energi = 0 %
Berdasarkan hasil diatas maka dilakukan beberapa uji coba untuk  menganalisa  sistem  pemanenan  energi  yang  dihasilkan oleh  piezoelektrik  dengan  metode  lain  yaitu  menggunakan converter step up (penaik tegangan). Tegangan dan arus rata- rata  yang  didapat  dengan  mengukur  input  pada  step  up ditampilkan pada tabel dibawah ini.
TABEL IV

## HASIL PENGUJIAN INPUT STEP UP DC-DC
No. Hasil Uji Coba dengan Step Up Converter Converter Step up Data Tegangan Arus 1. Boost Converter MT3608 15 1,63 Volt 54,8 μA 2. Boost Converter XL6009 15 0,15 Volt 54,6 μA 3. Joule Thief Mosfet 15 1,65 Volt 38,7 μA 4. Joule Thief BJT 15 0,88 Volt 81 μA

## F. Spesifikasi Modul Converter Step up
Berdasarkan hasil pengujian dengan menggunakan converter  step  up  dc-dc  didapatkan  bahwa  daya  yang dihasilkan  oleh  piezoelektrik belum  mencapai  nilai  minimum yang  dibutuhkan.  Spesifikasi  converter  step  up  ialah  sebagai berikut:
TABEL V SPESIFIKASI BOOST CONVERTER MT3608 No. Spesifikasi Boost Converter MT3608 Spesifikasi Keterangan 1 Input DC 2 V – 24 V 2 Output DC Max 28 V 3 Arus Maksimal 4 A 4 Efisiensi 97 % 5 Fixed Switching frequency 1,2 MHz 6 Operating Temperature Max 155 o C

## TABEL VI
SPESIFIKASI BOOST CONVERTER XL6009 No. Spesifikasi Boost Converter XL6009 Spesifikasi Keterangan 1 Input DC 5 V – 32 V 2 Output DC Max 60 V 3 Arus Maksimal 4 A 4 Efisiensi 94 % 5 Fixed Switching frequency 400 KHz 6 Operating Temperature -65 – 150 o C

## G. Konfigurasi dan Spesifikasi Joule Thief
Penggunaan  rangkaian  sederhana  converter  step  up  yang dilakukan  ketika  melakukan  uji  coba  pemanenan  energi menggunakan  konfigurasi  rangkaian  sebagai  berikut  :
Gbr. 12 Rangkaian joule thief transistor mosfet
Gbr. 13 Rangkaian joule thief transistor bipolar
IV. KESIMPULAN (PENUTUP)
Berdasarkan  hasil  uji  coba  pemanenan  energi,  lantai pembangkit listrik berbasis komponen piezoelektrik menghasilkan  outputan  tegangan  dan  arus  yang  tidak  stabil ketika  diuji  coba  pada  beberapa  modul  dan  rangkaian converter,  sehingga  energi  yang  dihasilkan  tidak  dapat dipanen dikarenakan tegangan dan arus tidak memenuhi syarat minimum tresshold pada modul atau rangkaian converter.

## R EFERENSI
[1] S.  Ahda,  B.  Tenaga,  and  N.  Nasional,  “Sintesa  Dan  Karakterisasi Bahan Piezoelektrik Ramah,” vol. 2, pp. 13–19, 2012.
[2] S. Kim, J. Shen, and M. Ahad, “Piezoelectric-Based Energy Harvesting Technology  for  Roadway  Sustainability,” Int.  J.  Appl.  Sci.  Technol. , vol. 5, no. 1, pp. 20–25, 2015.
[3] E.  Yulia,  E.  P.  Putra,  E.  Ekawati,  and  Nugraha,  “Polisi  Tidur Piezoelektrik  Sebagai  Pembangkit  Listrik  dengan  Memanfaatkan Energi  Mekanik  Kendaraan  Bermotor,”  vol.  8,  no.  8,  pp.  105–113,
2016. [4] A. Gamayel, “PANEN ENERGI MENGGUNAKAN PIEZOELEKTRIK SISTEM KANTILEVER DENGAN PENAMBAHAN  BLUFF  BODY,” J.  Tek.  Mesin ,  vol.  06,  no.  4,  pp.
273–276, 2017.
[5] M. I. Mowaviq, A. Junaidi, and S. Purwanto, “Lantai Pemanen Energi Listrik Menggunakan Piezoelektrik,” Energi & Kelistrikan , vol. 10, no. 2, pp. 112–118, 2019, doi: 10.33322/energi.v10i2.219.
[6] E. Diniardi, S. Syawaluddin, A. I. Ramadhan, W. Isnaini, E. Dermawan, and  D.  Almanda,  “Analisis  Desain  Pickup  Piezoelektrik  Dari  Model Hybrid Solar Cell-Piezoelectric Untuk Daya Rendah,” J. Teknol. , vol. 9, no. 2, p. 83, 2017, doi: 10.24853/jurtek.9.2.83-88.
[7] I. K. N. S, “Perencanaan metode pelaksanaan pekerjaan bangunan atas jembatan yeh panahan di kabupaten tabanan,” vol. 5, pp. 20–30.
[8] W. Sunarya, Hasanuddin, Syamsuddin, Maria, and Erfan, “IDENTIFIKASI  BIJIH  BESI  (Fe)  MENGGUNAKAN  METODA GEOLISTRIK RESISTIVITAS KONFIGURASI WENNER-
SCHLUMBERGER  DI  KABUPATEN  LUWU,” Geocelebes ,  vol.  1, no. 10, pp. 72–81, 2017.
[9] D. M. Irawan, G. Iswantoro, M. H. Furqon, and S. Hastuti, “Pengaruh Nilai  Konstanta  Terhadap  Pertambahan  Panjang  Pegas,”  vol.  1,  no.  5, pp. 3–6, 2018.
[10]  L.  W.  Cahyadi  and T.  Andromeda, “KINERJA KONVERTER  ARUS SEARAH  TIPE  BUCK  CONVERTER  DENGAN  UMPAN  BALIK TEGANGAN BERBASIS TL494.”