Rangkaian Penyearah RF ke DC Bertingkat untuk Multi Frekuensi Kerja pada Sistem Pengisian Listrik Secara Nirkabel

## RF to DC Rectifier Multi Stage Circuit for Multiple Operation Frequencies in Wireless Electrical Charging Systems
Budi Herdiana * , Heroe Wijanto, dan Iswahyudi Hidayat
Program Studi Teknik Elektro Pascasarjana, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Telkom Jl. Telekomunikasi No. 1 Bojongsoang Bandung, 40257

## Abstrak
Energi berkesinambungan untuk perangkat elektronik bergerak selalu dibutuhkan selama kapasitas penyimpanan energi dari baterai di perangkat elektronik bergerak tersebut terbatas untuk beberapa jam waktu pemakaian saja. Untuk mendapatkan waktu operasi  yang  panjang  dari  perangkat  elektronik  bergerak, sumber energi seharusnya  dihubungkan  selalu  ke  perangkat tersebut. Pada  makalah  ini,  kami  mengajukan  metode  pengisian  energi  melalui  operasi  nirkabel  menggunakan  gelombang  mikro  (RF) yang diradiasikan dengan multi frekuensi kerja di udara. Rangkaian penyearah dari RF ke DC merupakan komponen utama untuk mengubah gelombang RF ke arus elektronik (DC). Model Dickson digunakan sebagai pendekatan dengan keuggulannya antara lain  rangkaian  yang  sederhana,  faktor ripple DC  yang  rendah,  dan  lain  lain.  Desain,  analisis,  dan  eksperimen  dari  rangkaian penyearah tersebut telah dilakukan dan dipaparkan pada makalah ini. Pada pengukuran, perangkat elektronik bergerak diletakkan dengan jarak sekitar 5 meter dari sumber energi, tegangan DC sebesar 3,7 V telah diperoleh pada frekuensi kerja 825-960 MHz dengan  nilai  PCE  12-33% dan  faktor ripple sebesar ±  0.01%.  Waktu  pengisian energi  sekitar 4 jam pada  ruang  percobaan dan sekitar  11  jam  di  luar  ruangan  telah  diobservasi.  Berdasarkan  hasil  tersebut,  metode  pengisian  energi  secara  nirkabel  untuk perangkat  elektronik  bergerak  merupakan  kandidat  yang  potensial untuk  menyelesaikan  masalah  energi  berkesinambungan  dan mendukung sebagian program teknologi hijau.
Kata kunci : pengisian energi nirkabel, rangkaian penyearah RF ke DC, model Dickson, energi berkesinambungan.

## Abstract
Sustainable energy for mobile devices is always required since power capacity of a battery in the mobile devices is limited for a few hour operation times only. In order to obtain long operation time of the mobile devices, energy/power sources should be  connected  always  to  them.  In  this  paper,  we  propose  power  charging  methods  with  wireless  operation  using  radiated microwave signals with multiple microwave frequencies in the air. RF to DC rectifiers are the key components for converting t he radiated microwave signals (RF) to electronic currents (DC). Dickson model is used in this approach with its advantages such as simple circuit, small DC ripple factor, etc. Design, analysis, and experiment of the rectifier were done and reported in this paper. In measurement, the mobile devices are located about 5 meters distance to the power sources. As a result, DC voltage of 3.7 V was obtained in 825-960 MHz operational frequency with PCE value of 12-33% and ripple factor of ± 0.01%. Power charging time of ± 5 hours in the experimental room and ± 11 hours in the outdoor were observed. Based on the results, wireless power charging  methods  to  the  mobile  devices  are  potential  candidate  to  solve  the  sustainable  energy  problem  and  also  partly supporting the green technology program.
Keywords : wireless power charging, RF to DC rectifier, Dickson model, sustainable energy.

## I. P ENDAHULUAN
Meningkatnya jumlah pemakaian perangkat telepon seluler saat ini menyebabkan ketersediaan energi catuan bagi  perangkat  telekomunikasi  tersebut  menjadi keharusan  agar  komunikasi  tetap  berjalan.  Sumber energi  pencatuan  selama  ini hanya  mengandalkan  pada sumber energi  jala- juga yang AC  220V jala  listrik memiliki  beberapa  keterbatasan  terutama  ketika  kita berada  pada  posisi  jauh  dari  sumber  energi  jala-jala
listrik  tersebut  karena  kebiasaan  pemakai  ponsel  selalu memilki  mobilitas  tinggi  sedangkan  konsistensi kebutuhan  energi  catuan  selalu  harus  tetap  terpenuhi. Karena  itu  untuk  mengurangi  keterbatasan  itu,  maka diperlukan  sumber  energi  lain  yang  bisa  dijadikan energi elektromagnetik, seperti  gelombang alternatif
solar  cell ,  dan  lain- alternatif lain.  Sumber  energi satunya diperoleh  tentu  salah mudah yang tersebut adalah  energi  RF  di  mana  ketersediaannya  cukup melimpah di sekitar kita misalnya energi RF berasal dari BTS, access  point ( Wi-Fi )  atau ISM Band .  Pada dasarnya  tegangan  catuan  yang  diperoleh  dari  sumber energi  RF  akan  bernilai  kecil  karena  karakteristik  daya RF  sendiri  saat  terdeteksi  sangat  kecil  seiring meningkatnya rugi-rugi transmisi terhadap jarak pancar. Karena  itu  jika  menginginkan  tegangan  catuan  sesuai
* Corresponding Author .
Email: budiherdiana77@gmail.com Received: September 2, 2014; Revised: October 31, 2014
Accepted: November 4, 2014 Published: December 30, 2014  2014 PPET - LIPI
doi : 10.14203/jet/v14.40-44
perangkat  yang  akan  dicatu,  maka  diperlukan  model penyearah yang memiliki kemampuan mengubah energi RF ke DC sekaligus memiliki kemampuan menguatkan tegangan  ke  level  tegangan  catuan  guna  mendukung terwujudnya perangkat catu daya [1], [2]. Pada makalah ini  akan  digambarkan  struktur  rancangan  rangkaian penyearah  energi  RF  secara  bertingkat  multi  frekuensi untuk diterapkan pada catu daya berdaya rendah sebagai sebuah sistem charger ponsel menggunakan pendekatan modifikasi model  Dickson  ( Dickson’s  models )  di  mana dioda  schottky  HSMS2822  sebagai  komponen  utama penyearahnya.

## II. K ONSEP R

## ANGKAIAN P ENYEARAH RF
Teknologi power  transfer  wireless dapat  dijadikan sebagai sumber catuan alternatif bagi perangkat telepon seluler  ketika  sumber  daya  catuan  yang  ada  memiliki keterbatasan dalam menyediakan energi secara berkesinambungan.  Salah  satu  penerapan  teknologi  ini adalah RF  to  DC  Converter yang  merupakan  sistem penyearah  energi  gelombang  elektromagnetik  RF menjadi energi DC. Sistem penyearah ini dibangun oleh dua  komponen  utama  yaitu  antena  sebagai  penangkap energi  RF  di  ruang  bebas  dan  penyearah  sebagai pengubah  gelombang  RF  menjadi  DC.  Tahapan penyearahannya  ditunjukan  seperti  pada  Gambar  1 berikut ini:
Base Stations Satelite Communication Wireless Internet (WiFi) Radio Communication TV Brodcast Sumber-sumber Energi RF Antena Matching Circuit Rectifier Charging Controller Baterai Wireless Communication
Gambar 1. Sistem Penyearah Gelombang RF ke DC [3], [4].
Karakterisasi  sistem  penyearah  energi  RF  multi frekuensi seperti pada gambar 1 di atas dapat dianalisis berdasarkan  daya  rata-rata  yang  diterima  secara simultan dimana besarnya dirumuskan sebesar [3]:
P RF (t) = 1 f high −f low ∫ ∫ S(θ, φ, f, t)A eff(θ,φ,f) d Ω df 4π 0 f high f low (1)
Untuk  frekuensi  ke-i  dengan  daya  masukan  ke-i diperoleh daya DC sebesar:
P DC (f i ) = P RF (f i , t)ɳ[P RF (f i , t), ρ, Z DC ] (2)
Sedangkan daya DC dari masukan berbagai sumber daya  RF  multi  frekuensi  merupakan  resultan  dari penguatan  antena  penerima  dan  daya  RF  ke-i  yang diterima dinyatakan sebesar [1]:
P DC = e ∑ G i P RF i η N i (3)
Pada  persamaan  2  dan  3  di  atas  setiap  daya  yang dideteksi  akan  mengalami  perubahan  terhadap  daya masukan,  penguatan  dan  jarak  yang  dinyatakan  oleh formula Friis sebesar [5]:
P r = GtGrλ2Pt (4πd)2 (4)
Model  penyearah  energi  RF  selalu  mengikuti perkembangan  sesuai  kebutuhan  dan  pencapaiannya  di mana  salah  satunya  adalah  penyearah  model  Dickson (Dickson Models) yang digambarkan sebagai berikut:

## Gambar 2. Model Rangkaian Penyearah Bertingkat [1].
Dasar rangkaian yang dibangun seperti Gambar 2 di atas  terdiri  dari  beberapa  rangkaian clamper yang tersusun  secara  bertingkat  dan clock eksternal φ,  φ ̅ sebagai pengatur dan penggerak sinyal penyearahan yang dinyatakan sebesar;
V out = n(V in − V T ) (5)
Jika  n  tingkatan  penyearah  dan  tegangan ripple ∆v(n) diperhitungkan,  maka  Persamaan  5  menjadi sebesar:
V out (n, V in ) = 2 n V in − ∆v(n) (6)

## III. P ERANCANGAN S ISTEM
Gambaran  blok  sistem  yang  dirancang  yaitu sebagai berikut:
) ( 1 t f ) ( 2 t f ) ( 3 t f ) ( t f n In p u t E n e rg i R F Antena Multiband
Jaringan Match Impedansi (Wideband) Rangkaian Penyearah RF ke DC (Multistage Rectifier) DC to DC Converter (Portable)

## Gambar 3. Blok Sistem Perancangan.
Model penyearah yang dirancang adalah modifikasi model penyearah Dickson di mana pada sisi konstruksi rangkaian  dasarnya  diterapkan  beberapa  rangkaian pengganda  tegangan  yang  disusun  bertingkat  sesuai hasil  pengembangan  modifikasi  ditunjukan  berikut  ini [6], [7]:
V out (n, V RF ) = 2 n V RF − [ I L f x C ( 2 3 n 3 + 1 2 n 2 − 1 6 n)] (7)
Sedangkan  secara  keseluruhan  sistemnya  dapat dimodelkan sebagai berikut:
RF Input HSMS2822 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF HSMS2822 HSMS2822 HSMS2822 HSMS2822 10nF 10nF 10nF 10nF 10nF CL 10uF RL 100 K MAX756 L 150 uF 100 nF R capture R 1 = 1K 100 nF IN5817 ke Batere Vref ref Gnd FB R2 R3 OUT 10nF Gambar 4. Rangkaian Penyearah RF-DC.
Untuk  menaikan  tegangan  keluaran  penyearah  ke level  tegangan  catuan  perangkat  telepon  seluler  yang akan  dicatu,  maka  digunakan  metoda  pelacakan tegangan  maksimum  melalui  penentuan  variabel resistansi ∆R (Capture) pada  rangkaian DC  to  DC Converter yang nilainya ditentukan sebesar:
∆R (Capture) = [ Vout Vref − 1] × R 1 (8)
Sedangkan tegangan keluaran V out sistem diperoleh sebesar:
V out = Vout(n,VRF) 1−D (9)
Model  simulasi  sistem  penyearah  energi  RF bertingkat multi frekuensi ditunjukkan seperti Gambar 5 berikut ini:

## Gambar 5. Simulasi Rangkaian Penyearah.
Hasil simulasinya ditunjukan sebagai berikut:
(a) (b)
IV.

## P ENGUJIAN DAN P ENGUKURAN
Pengujian  sistem  dilakukan  untuk  memperoleh unjuk  kerja  sistem  melalui  tahapan  pendekatan teoritis, simulasi dan pengukuran perangkat terkait dengan daya yang akan dicapai. Ilustrasi dari data hasil pengujiannya dapat digambarkan sebagai berikut:
(a)

## (b)
Gambar 7. Kurva Karakteristik Kinerja Penyearah Regulator Penaik Tegangan, (a) Tegangan, (b) Daya.

## A. Regulator Penaik Tegangan
Regulator  penaik  tegangan  digunakan  untuk meningkatkan  tegangan  hasil  penyearahan  ke  level tegangan catuan sesuai tegangan kerja perangkat telepon seluler yaitu sebesar 3,7 V. Untuk memastikan kualitas kinerja  rangkaian  ini,  maka  dilakukan  pengujian  di dalam  ruangan  dan  luar  ruangan  sehingga  hasilnya diperoleh sebagai berikut:
T ABEL 1
H ASIL P ENGUJIAN D ALAM R UANGAN
Sumber Energi RF Posisi Jarak (d) = 5 m Pr [dBm] Frekuensi [MHz]
Vout [Volt] Kondisi Batere Seluler + 40
500 0,74 Tidak mengisi 825 4,47 Charging 850 4,45 Charging 870 4,27 Charging 925 4,10 Charging 950 3,85 Charging 960 3,81 Charging 1000 0,50 Tidak mengisi 1750 0,20 Tidak mengisi 2500 0,08 Tidak mengisi 3000 0,03
Tidak mengisi
0 500 1000 1500 500 800 825 850 870 900 925 950 960 1000 1750 2500 3000 V o u t [m V ] MHz Perbandingan  Hasil Pengujian  Vout  Penyearah Teoritis simulasi -50 -40 -30 -20 -10 0 P o w e r R e ce iv e d [ d B m ] Frekuensi [MHz] Perbandingan  Hasil Pengujian  Daya Output  penyearah Teoritis Simulasi Pengukuran 1 2 3 4 5 6 0 7 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -0.4 1.2 time, nsec ts( V in ), V ts( V o u t) , V
m1 m1 time= ts(Vout)=1.150 Max 1.312nsec 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0.0 4.5 -200 -150 -100 -50 -250 0 freq, GHz d B m (P o u t)
m1 d B m (P in ) m1 indep(m1)= plot_vs(dBm(Pout), freq)=-29.510 9.000E8
T ABEL 2 H ASIL P ENGUJIAN L UAR R UANGAN Jarak pengukuran [meter] Tegangan Output [Volt] Frekuensi yang terdeteksi [MHz] Kondisi Batere 1 4,5 950,5 (kanal 52) Charging 2 4,3 950,5 (kanal 52) Charging 3 4,1 950,5 (kanal 52) Charging 4 3,9 950,5 (kanal 52) Charging 5 3,8 950,5 (kanal 52) Charging 5,5 2,9 950,5 (kanal 52) Tidak mengisi

## B. Efesiensi Konversi Daya
Efesiensi  Konversi  Daya  ini  dapat  menentukan besar kecilnya  daya  dan  tegangan  yang  dihasilkan  oleh sistem berkaitan dengan kemampuannya dalam mencatu energi  ke  batere  ponsel.  Hasilnya  diperoleh  sebagai berikut:

## Gambar 8. Kurva Karakteristik Efesiensi Sistem Durasi Pengisian Energi Batere.

## C. Durasi Pengisian Energi Batere
Data hasil  pengujian  durasi  waktu  pengisiannya  di dalam  dan  di  luar  ruangan  disajikan  pada  Tabel  3  dan Tabel 4 sebagai berikut:
T ABEL 3 P ENGUJIAN D ALAM R UANGAN Frekuensi [MHz] Vout [Volt] Pout [mW] Durasi Pengisian 825 4,47 894 4 jam 10 menit 850 4,45 890 4 jam 26 menit 870 4,27 854 4 jam 39 menit 925 4,10 820 4 jam 47 menit 950 3,85 770 5 jam 14 menit 960 3,81 762 5 jam 35 menit
T ABEL 4. P ENGUJIAN L UAR R UANGAN Frekuensi [MHz] Vout [Volt] Pout [mW] Durasi Pengisian 825 4,50 411 9 jam 16 menit 850 4,30 387 9 jam 52 menit 870 4,10 372 10 jam 12 menit 925 3,90 353 10 jam 46 menit 950 3,80 342 11 jam 04 menit 960 3,50 0 Tidak mengisi > 960 < 3,00 0 Tidak mengisi
Pengujian  langsung  di  lapangan  sangat  penting untuk  mengetahui  sekaligus  menentukan  kualitas  kerja sistem  yang  dirancang  secara  keseluruhan.  Sistem pengukurannya ditunjukkan pada Gambar 9 berikut ini:
Gambar 9. Pengujian Sistem.

## K ESIMPULAN
Modifikasi  rangkaian  penyearah  energi  RF  ke  DC bertingkat  multi  frekuensi  melalui  pendekatan  Model Dickson yang telah menghasilkan model rangkaian yang mudah  diimplementasikan  ternyata  dapat  memberikan kontribusi  dalam  mewujudkan  sebuah  perangkat pengisian  energi  listrik  secara  nirkabel.  Perangkat  ini menghasilkan  nilai  efesiensi  konversi  daya  sebesar  12- 33  %  dengan  faktor ripple secara  stabil  dicapai  di kisaran  0,01%  pada  rentang  frekuensi  825-960  MHz pada  jarak  5  meter  dari  sumber  energi  RF  yang menghasilkan  durasi  waktu  pengisian  sebesar  4  jam sampai  dengan  11  jam  untuk  kondisi  di  dalam  dan  di luar  ruangan.  Kenyataan  ini  menunjukkan  salah  satu solusi  menjanjikan  untuk  masa  depan  terkait  dengan pemanfaatan  energi  terbarukan  dalam  mengatasi  krisis energi ke depan yaitu dengan cara menangkap berbagai sumber energi RF untuk dijadikan sumber energi baru.

## U CAPAN T ERIMA K ASIH
Penulis  mengucapkan  terima  kasih  sebesar- besarnya  kepada  Kaprodi  Teknik  Elektro  Fakultas Pascasarjana Universitas Telkom, Prodi Teknik Elektro UNIKOM  dan  Prodi  Teknik  Elektro  Universitas Kebangsaan Bandung yang telah memberikan kesempatan dan fasilitas untuk menyelesaikan penelitian ini sampai selesai.
DAFTAR PUSTAKA
[1] D. Pavone,  A.  Buonanno, M. D.  Urso, and F. D. Corte,”Design considerations  for  radio  frequency  energy  harvesting  devices”, Progress  In  Electromagnetics  Research  B ,  vol.  45,  pp.  19-35, 2012.
[2] D.  S.  Liu,  F.  B.  Li,  X.  C.  Zou,  Y.  Liu,  X.  M.  Hui,  and  X.  F. Ta,”New  analysis  and  design  of  a  RF  rectifier  for  RFID  and implantable  devices”, Sensor ,  vol.  11,  issue  7,  pp.  6494-6508, 2011.
[3] P.  Nintanavongsa,  U.  Muncuk,  D.  R.  Lewis,  and  K. R.Chowdhury, ”Design optimization and implementation for RF energy  harvesting  circuits”, IEEE  Journal  On  Emerging  and Selected Topics In Circuits and System , vol. 2, no. 1, pp. 24-33, March 2012.
[4] T.  S.  Rappaport,  W ireless  Communications  Principles  and Practice , Second Edition, Prentice Hall PTR, 2002, pp. 107-113.
[5] N. M. Din , C. K. Chakrabarty , A. B. Ismail, K. K. A. Devi, and W.  Y.  Chen,  ”Design  of  RF  Energy  Harvesting  System  For Energizing Low  Power Devices”, Progress In Electromagnetics Research , vol. 132, pp. 49-69, 2012.
[6] A.  Toudeshki,  N.  Mariun,  H.  Hizam,  and  N.  I.  A.  Wahab, ”Development  of  a  new  cascade  voltage-doubler  for  voltage multiplication”, Chinese  Journal  of  Engineering ,  vol.  2014, 2014. 33.05 30.58 28.23 24.32 22.7 16.48 12.97 2.54 3.75  3.04  4 0 10 20 30 40 Ef fi ci e n cy (% ) Frequency (MHz) Efisiensi Konversi Daya (%)
[7] A.  Sivaramakrishnan  and  K.  J.  Jegadishkumar,  ”A  highly efficient power management system for charging mobile phones using  RF  energy  harvesting”, International  Journal  of
Information  Technology  Convergence  and  Services  (IJITCS) , vol.1, no. 5, pp. 21-30, Oct. 2011.