Desain Sistem Transfer Energi Nirkabel dengan Memanfaatkan ... filediharapkan mampu menghidupi...
Transcript of Desain Sistem Transfer Energi Nirkabel dengan Memanfaatkan ... filediharapkan mampu menghidupi...
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
1
Desain Sistem Transfer Energi Nirkabel dengan
Memanfaatkan Gelombang Radio FM
Kandi Rahardiyanti – 2207100050
Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Surabaya – 60111
Abstrak – Transfer energi nirkabel merupakan teknik
pengambilan energi langsung dari udara bebas yang ramah
lingkungan. Power harvester mengambil gelombang
elektromagnetik yang ada di udara berbas dan mengubahnya
menjadi tegangan untuk mencatu perangkat berdaya rendah,
misalnya perangkat sensor.
Pada tugas akhir ini perangkat power harvester mengambil
energi dari gelombang elektromagnetik yang berasal dari
pemancar radio yang berada di sekitarnya dengan perantara
antena FM. Jenis antena FM yang digunakan adalah antena
fraktal dengan menggunakan transformasi tent yang didesain
dengan bantuan software 4NEC2.
Dari hasil pengukuran, dapat diketahui bahwa nilai
VSWR terbaik antena fraktal pada frekuensi tengah 98 Mhz
sebesar 1,5 dan gain rata-rata sebesar 0.45 dBi. Sedangkan nilai
tegangan maksimal yang dapat diambil oleh power harvester
sebesar 3V dengan arus 0,05 mA/s.
Kata kunci : gelombang radio FM, antena fraktal, power
harvester
I. PENDAHULUAN
Untuk melakukan suatu usaha atau pekerjaan
dibutuhkan sumber energi sebagai bahan bakar. Sedangkan
sumber energi yang sering kita gunakan sebagai kebutuhan
sehari-hari semakin lama semakin berkurang atau menipis.
Karena banyaknya pemakaian yang tidak terkontrol sehingga
menimbulkan kelangkaan atau bahkan habis sama sekali.
Untuk itu sekarang perlu dipikirkan adanya energi alternatif
sebagai cadangan untuk sumber energi yang biasa
digunakan. Selain itu, pembangkit energi di Indonesia belum
cukup mengatasi kebutuhan energi di setiap daerah.
Di Indonesia, khususnya kota Surabaya yang
merupakan salah satu kota metropolitan yang cukup luas
dengan jumlah masyarakat yang besar membutuhkan sarana
hiburan dan informasi yang cepat dan terjangkau di semua
daerah. Salah satu sarana tersebut adalah radio. Di Syrabaya
terdapat puluhan stasiun radio yang pemancarnya tersebar
diseluruh daerah Surabaya. Pemancar-pemancar tersebut
mengeluarkan gelombang elektromagnetik ke udara bebas
dan belum dimanfaatkan dengan efektif hingga saat ini.
Teknik pengambilan energi dari alam merupakan
teknik yang ramah lingkungan dan dapat mengatasi
permasalahan kelangkaan sumber energi yang akan kita
alami beberapa tahun ke depan.
Maka dari itu penulis mengusulkan sebuah sistem
transfer energi nirkabel dengan memanfaatkan gelombang
radio FM sebagai sumber energi potensial yang dapat
mensuplai energi kepada beban. Salah satu pemanfaatan
transfer energi nirkabel ini misalnya digunakan dalam
pengisian baterai suatu sistem sensor. Suplai energi
diharapkan mampu menghidupi baterai secara kontinyu dan
tidak memerlukan sumber energi tambahan lagi.
II. TEORI PENUNJANG
2.1 Gelombang Radio FM
Frekuensi gelombang radio FM berada diantara 87 –
108 MHz dan termasuk dalam spektrum frekuensi VHF di
mana tersedia band spektrum yang lebih lebar daripada
gelombang pada band siar AM. Selain itu karena gelombang
radio FM berada pada wilayah frekuensi yang secara relatif
bebas dari gangguan, baik atmosfir maupun interferensi yang
tidak diharapkan sehingga gelombang radio FM tahan
terhadap derau.
Tabel 1 Spektrum Frekuensi Gelombang Elektromagnetik
Gambar 1 peta persebaran pemancar radio Surabaya Berdasarkan data pada www.asiawave.net[1]
Jenis Band Frekuensi Panjang Gelombang
Extremely Low Frequency (ELF) 3-30 Hz 100.000-10.000 km
Super-Low Frequency (SLF) 30-300 Hz 10.000-1.000 km
Ultra Low Frequency (ULF) 300-3000 Hz 1.000-100 km
Very Low Frerquency (VLF) 3-30 kHz 100-10 km
Low Frequency (LF) 30-300 kHz 10-1 km
Medium Frequency (MF) 300-3000 kHz 1 km - 100 m
High Frequency (HF) 3-30 MHz 100 m – 10 m
Very High Frequency (VHF) 30-300 MHz 10 m – 1 m
Ultra High Frequency (UHF) 300-3000 MHz 1 m - 100 mm
Super-High Frequency (SHF) 3-30 GHz 100 mm – 10 mm
Extremely High Frequency (EHF) 30-300 GHz 10 mm – 1 mm
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
2
2.2 Antena Fraktal Tent [2]
Fraktal merupakan suatu bentuk yang tidak memiliki
karakteristik ukuran tertentu. Setiap jenis fraktal terbentuk
dari berbagai iterasi atau perulangan dari bentuk dasarnya.
Perulangan tersebut dapat terus berlanjut hingga tidak
terbatas, sehingga tercipta bentuk yang terbatas namun
dengan panjang atau area yang tidak terbatas. Karena itu
sangat disarankan untuk aplikasi pada komunikasi nirkabel
karena dapat dihasilkan perangkat penerima yang lebih kecil.
Kurva fractal terbentuk dengan mengaplikasikan
transformasi geomatikal dari bentuk persegi dengan panjang
sisi L dan menggunakan algoritma transformasi yang disebut
dengan Multiple Reduction Copy Machine (MRCM). MRCM
memberikan metafora yang sesuai dan dikenal sebagai
Iterated Function System (IFS) dalam matematika.
MRCM membangkitkan IFS dinamikal seperti pada
gambar 2(b). Dengan menggunakan IFS dimungkinkan untuk
menghasilkan tingkat generasi dimana semua bagian garis
membentuk alur tunggal. Seperti yang terlihat pada gambar
2(b), IFS membangun semacam kurva dengan lima macam
transformasi. Lima macam transformasi ini diberi label A, B,
C, D, dan E yang menghasilkan tingkat fraktal dari tingkat
sebelumnya, yang dapat dilihat pada tabel 2.
(a) (b)
(c) (d)
Gambar 2 Langkah-langkah pembangkitan kurva fraktal
tent. Struktur (a) sampai (d) merupakan empat tingkat
generasi fraktal [1]
Tabel 2 Langkah-langkah membangkitkan transformasi tent
Sebagai catatan bahwa sudut tersebut dibatasi
maksimum θ = 63.435⁰,dimana semua puncak dari segitiga
menyentuh persegi, dan batas minimal θ = 0⁰.
2.3 Power Harvester [3]
Power harvester digunakan untuk mengubah
gelombang elektromagnetik menjadi sumber arus DC.
Rangkaian yang digunakan hampir sama dengan rangkaian
penyearah, namun memiliki penguatan tegangan yang lebih
besar.
Rangkaian ini terdiri dari diode sebagai komponen
penyearah gelombang elektromagnetik menjadi gelombang
DC dan kapasitor sebagai penyimpan tegangan sementara.
2.4 Gain [4]
Gain antena menunjukkan efisiensi dari antena secara
keseluruhan. Pada pengukuran gain antena, metode yang
digunakan adalah metode gain perbandingan dengan antena
referensi yang telah diketahui besarnya nilai gain. Besarnya
gain perbandingan dinyatakan dalam persamaan 1.
(1)
Pada satuan decibel dinyatakan dengan
(2)
dimana, Gp = gain perbandingan
Gs = gain antena standar
Gr = gain antena yang diukur
Pr = daya yang diterima antena yang diukur
Ps = daya yang diterima antena standar
2.5 Voltage Standing Wave Ratio (VSWR)
VSWR merupakan kemampuan suatu antena untuk
bekerja pada frekuensi yang diinginkan. Pengukuran VSWR
berhubungan dengan pengukuran koefisien refleksi dari
antena tersebut, yaitu perbandingan level tegangan yang
kembali ke pemancar (V-) dan tegangan yang menuju beban
(V+).
(3)
Nilai koefisien refleksi ini dapat bervariasi antara 0
(tanpa pantulan) sampai 1, yang berarti sinyal yang datang ke
beban seluruhnya dipantulkan kembali ke pemancarnya.
Maka untuk pengukuran VSWR besar nilai VSWR yang
ideal adalah 1. Semakin kecil nilai VSWR semakin bagus
antena.
(4)
III. PEMODELAN DAN SIMULASI
3.1 Metodologi Penelitian
Sistem transfer energi nirkabel merupakan sistem yang
menangkap gelombang elektromagnetik yang berada di udara
LangkahPerubahan
Lebar
Perubahan
Panjang PembalikanRotasi
A 2/3 L 1/3 L Horisontal -
B 1/3 L 2/3 L Horisontal -
C 1/3 L 2/3 L Horisontal 90⁰
D 2/3 L 1/3 L - -90⁰
E 2/3 L 2/3 L - -90⁰
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
3
bebas hasil radiasi pemancar dan mengubahnya menjadi
sumber energi perangkat berdaya kecil, misalnya sensor.
Dalam tugas akhir ini, gelombang elektromagnetik berasal
dari pemancar radio FM. adapun skema sistem transfer
energi nirkabel ditunjukkan oleh gambar 3.
Gambar 3 Skema sistem transfer energi nirkabel pemancar
radio FM
Metodologi penelitian terdiri dari tahap-tahap
penelitian mulai dari simulasi, pengecekan hasil simulasi,
dan rancang bangun.
Gambar 4 Diagram Alir Penelitian
3.2 Simulasi Pembuatan Antena Fraktal
Simulasi dilakukan dengan menggunakan perangkat
lunak 4NEC2. Dalam tugas akhir ini diinginkan antena
fraktal dengan transformasi tent yang bekerja pada frekuensi
87-108 Mhz, dan dihasilkan bentuk antena fraktal sebagai
berikut :
Gambar 5 Hasil simulasi antena fraktal dengan 4NEC2
3.3 Simulasi Pembuatan Power Harvester
Desain power havester dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak Eagle dengan perancangan sesuai dengan
karakteristik yang dibutuhkan, yaitu power havester dengan
6 tingkat dan paralel pada setiap 2 tingkat. Pada rangkaian
PH terdiri dari komponen dioda sebagai penyearah dan
kapasitor sebagai tempat penyimpan energi sementara.
Gambar 6 Rangkaian power harvester
3.4 Pembuatan Antena Fraktal Tent
Dari hasil simulasi dan studi literatur mengenai
karakteristik fraktal antena generasi ke-2, maka didapat data
dengan spesifikasi perencanaan antena sebagai berikut :
1. Dimensi antena : 20 x 20 cm
2. Diamter kawat tembaga : 1mm
3. Dimensi ground plane : 5 x 7 cm
4. Konektor : N-female.
5. Kaca akrilik
Gambar 7 Antena fraktal
3.5 Pembuatan Power Harvester
Setelah desain selesai dibuat, maka rangkaian dicetak
pada PCB dengan spesifikasi :
1. Lebar jalur : 0.6mm
2. Kapasitor : 1 nF
3. Dioda schottky
4. Konektor : N-female
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
4
Gambar 8 Rangkaian power harvester
3.6 Pengukuran Gain
Gambar 9 Skema pengukuran gain
Pengukuran dilakukan di dalam Lab Telekomunikasi
Multimedia B-301 T.Elektro ITS pada malam hari. Untuk
mengukur gain antena fraktal dibutuhkan langkah-langkah
sebagai berikut :
1. Antena FM standar dipasang pada signal generator
sebagai pemancar.
2. Antena standar kedua dipasang pada spectrum
analyzer sebagai penerima.
3. Signal generator diatur pada frekuensi FM mulai
dari 87 Mhz sampai dengan 108 Mhz dengan selang
frekuensi 10 Mhz
4. Mencatat level yang ditunjukkan oleh spectrum
analyzer.
5. Antena FM standar kedua yang terpasang pada
spectrum analyzer dilepas dan digantikan oleh
antena fraktal tent.
6. Mencatat level yang ditunjukkan oleh spectrum
analyzer.
7. Mengulangi langkah-langkah di atas pada setiap
jarak frekuensi 10 Mhz.
3.7 Pengukuran Tegangan pada Power Harvester
Gambar 10 Skema pengukuran tegangan pada power
harvester
Pada pengukuran tegangan dan arus pada power
harvester dilakukan pada 3 lokasi, yaitu Lab B-301 dengan
signal generator sebagai pemancar, pada udara bebas dengan
menggunakan pemancar radio sekitar, dan pada sekitar
pemancar radio tertentu. Hasil keluaran dari power harvester
berupa tegangan dalam bentuk data matlab.
IV. PENGUKURAN DAN ANALISIS DATA
4.1 Gain
Metode yang digunakan dalam pengukuran gain antena
adalah dengan membandingkan antara antena yang akan
diukur dengan antena yang telah diketahui besar gainnya.
Gambar 11 Hasil Pengukuran gain
Dari grafik di atas diketahui bahwa gain rata-rata
adalah 0.45 dBi.
4.2 VSWR
Hasil pengukuran menggunakan network analyzer
menunjukkan bahwa antena fraktal memiliki VSWR yang
cukup bagus. Dapat dilihat dari maker menunjukkan nilai
VSWR pada frekuensi tertentu, yaitu :
1. Frekuensi 88.01 : 1.941
2. Frekuensi 98.00 : 1.575
3. Frekuensi 108.00 : 2.901
(a)
(b)
Gambar 12 Hasil pengukuran VSWR (a) simulasi (b)
dengan network analyzer
-8-6-4-2024
87 89 91 93 95 97 99 101 103 105 107
Gai
n (
dB
i)
Frekuensi (Mhz)pengukuran
simulasi
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
5
Hasil yang ditunjukkan pada saat pengukuran ternyata
lebih baik daripada pada saat simulasi. Hal ini dikarenakan
antena fraktal telah mengalami perbaikan dari sisi ground
plane dan rangkaian penyesuai impedansi.
4.3 Bandwidth
Dari pengukuran menggunakan network analyzer
didapat data frekuensi dengan VSWR di bawah 2 adalah 87
Mhz sampai dengan 102 Mhz. Sehingga besarnya bandwidth
antena didapat dari pembagian antara selisih antara frekuensi
maksimum dan minimum yang memiliki nilai VSWR
dibawah 2 dengan frekuensi tengahnya, yaitu :
4.4 Pengukuran Tegangan di B-301
Pada pengukuran yang dilakukan di dalam Laboratorium
Telekomunikasi B-301 ini, pemancar berasal dari signal
generator.
Gambar 13 Tegangan yang diterima dalam ruang B-301
Tegangan maksimum yang dihasilkan adalah 1994 mV,
tegangan minimum 1050 mV dengan tegangan rata-rata
sebesar 1522,34 mV.
4.5 Pengukuran Tegangan di Pemancar Radio Colors
Lokasi pegujian adalah di sekitar pemancar radio, yaitu
Colors Radio 87.8 Mhz. Jarak antara pemancar dan antena fraktal diperkirakan 7 meter.
Gambar 14 Tegangan yang diterima dari pemancar Radio
Colors
Tegangan maksimum yang dihasilkan adalah 3030 mV,
tegangan minimum 2478 mV dan tegangan rata-rata 1771,5
mV. Arus yang dihasilkan 1.61μA. Tegangan tidak stabil
seperti pengukuran dengan signal generator karena daya
yang diterima antena tidak stabil seperti daya yang
dipancarkan oleh signal generator.
4.6 Pengukuran Tegangan dari Pemancar Sekitar
Gambar 15 Tegangan yang diterima dari pemancar radio
sekitar
Pengujian ini dilakukan di atas atap, tepatnya di depan
ruang B-406 dengan mengambil energi dari pemancar radio
yang berada disekitarnya,sedangkan jarak dengan pemancar
Colors radio sekitar 4,6 km. Tegangan maksimum yang
didapat adalah 1300 mV, tegangan minimum sebesar 53 mV
dan rata-rata tegangan 600 mV dan arus 0.03 mA. Pada saat
61 hingga 85 ms tegangan tidak stabil, dikarenakan antena
fraktal menangkap gelombang elektromagnetik dari beberapa
pemacar radio dan tidak terpusat pada satu sumber saja.
4.7 Pengisian Baterai
Pada proses pengisian energi perangkat Mica2 yang
digunakan oleh Wireless Sensor Network dengan
menggunakan perangkat power harvester dipilih baterai AA
sebagai berikut :
Gambar 16 Sanyo eneloop AA NiMH
Spesifikasi baterai adalah sebagai berikut :
1. Tegangan = 1,2 V
2. Kapasitas arus = 1200 mAh
3. Dapat diisi ulang hingga ratusan kali
4. Dapat diisi ulang walaupun dengan tegangan tidak
konstan.
Power harvester dapat menghasilkan tegangan dari 600
mV hingga 3030 mV sehingga sistem ini diasumsikan
mampu mengisi ulang baterai tersebut dalam waktu :
0
500
1000
1500
2000
2500
0.05
0.3
0.55
0.8
1.05
1.3
1.55
1.8
2.05
2.3
2.55
2.8
3.05
3.3
3.55
3.8
4.05
4.3
4.55
4.8
Tega
nga
n (m
V)
waktu (s)
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
0.05
0.45
0.85
1.25
1.65
2.05
2.45
2.85
3.25
3.65
4.05
4.45
4.85
5.25
5.65
6.05
6.45
6.85
Tega
nga
n (m
V)
waktu (s)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1 5 9 131721252933374145495357616569
Tega
nga
n (
mV
)
waktu (ms)
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
6
Jadi untuk mengisi baterai dengan kapasitas 1200
mAh memerlukan waktu pengisian baterai selama .
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Setelah melakukan analisis terhadap hasil simulasi
antena fraktal tent dan hasil pengukuran terhadap daya yang
dapat dihasilkan power harvester, maka didapat kesimpulan
seperti berikut :
1. Dari pengukuran didapat dengan membandingkan
antena fraktal dan antena FM standar, gain bernilai
0,45 dBi.
2. Dari pengukuran dengan network analyzer didapat
nilai VSWR terendah berada pada frekuensi 87-102
Mhz, dengan VSWR terendah adalah 1,5 pada
frekuensi 98 Mhz.
3. Dari perhitungan didapatkan bandwidth antena
bernilai 15.
4. Pengisian baterai perangkat sensor membutuhkan
waktu 6 jam 40 menit.
5. Dari hasil pengukuran didapat bahwa semakin dekat
jarak antena dengan pemancar radio, maka semakin
besar energi yang dapat dihasilkan.
5.2 Saran Dari hasil pengamatan dan analisis yang telah
dilakukan, penulis memberikan beberapa saran untuk
pengembangan tugas akhir berikutnya :
1. Mencari model antena fraktal lain yang lebih efektif
sehingga ukuran antena dapat diperkecil lagi.
2. Mencoba antena dengan memanfaatkan gelombang
elektromagnetik GSM karena pemancar GSM lebih
banyak daripada pemancar radio.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Radio Stations in Surabaya, East Java, Indonesia.
Diambil tanggal 26 Juni 2011 dari
http://www.asiawaves.net/indonesia/surabaya-
radio.htm#surabaya-fm-radio
[2] Faiz, Muhammad, (2007) Investigation of Sierpinski
Carpet Fractal Antenna. Universitas Teknik Malaysia
[3] Harrist, Daniel W., (2004) Wireless Battery Charging
System Using Radio Frequency Energy Harvesting,
University of Pittsburgh
[4] Stutzman, Warren L., Thiele, Gary A., (1998) Antenna
Theory and Design, 2nd
edition. John Wiley & Sons,
Inc.
BIODATA PENULIS
Kandi Rahardiyanti dilahirkan di
Sidoarjo, 30 Agustus 1989.
Merupakan putri terakhir dari dua
bersaudara pasangan Mulyanto dan
Sri Rahayu. Sering berpindah-
pindah tempat tinggal karena
mengikuti pekerjaan orang
tua,sehingga penulis memiliki
banyak pengalaman hidup di
berbagai daerah. Penulis menempuh
pendidikan dasar di SDN Lirboyo II Kediri dan lulus pada
tahun 2001 kemudian melanjutkan ke SLTPN 1 Kediri. Dan
melanjutkan jenjang pendidikan ke SMAN 2 Kediri pada
tahun 2004 dan lulus pada tahun 2007.
Setelah menyelesaikan SMA, penulis melanjutkan studinya
ke Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya melalui jalur SPMB pada tahun 2007.
Pada bulan Juli 2011 penulis mengikuti seminar dan ujian
Tugas Akhir di Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia
Jurusan Teknik Elektro FTI - ITS Surabaya sebagai salah
satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro.