Rancang Bangun Power Harvester Untuk Transfer Daya Wireless Menggunakan Antena Tv Frekuensi 470 - 860 Mhz
TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 -
860 MHZ
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
ANTHONY 100402045
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 - 860 MHZ
Oleh :
ANTHONY 100402045
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk mememperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada tanggal 08 bulan April tahun 2015 di depan Penguji: 1. Ketua Penguji : Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T.M.T 2. Anggota Penguji : Rahmad Fauzi, S.T.M.T
Disetujui oleh: Pembimbing,
Ir. Arman Sani, M.T NIP : 196411281991021001
Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si NIP. 195405311986011002
ABSTRAK
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik bebas. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik alternatif. Banyak penelitian yang sudah pernah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Tujuannya adalah menciptakan suatu sistem ramah lingkungan yang bisa menghasilkan energi listrik tanpa sumber tegangan listrik melainkan dengan menggunakan sinyal gelombang elektromagnetik sekitar.
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sistem Ambient Electromagnetic Harvesting dimana digunakan antena yagi TV sebagai antena penerima dan power harvester sebagai rectifier untuk merubah sinyal AC gelombang elektromagnetik daerah frekuensi TV yang diterima pada antena menjadi sinyal listrik DC dan menguatkannya. Sistem ambient electromagnetic harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 433 mV untuk pengukuran di daerah kota Medan, yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio, Sedangkan pengukuran di daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit, diperoleh tegangan rata-rata 2160 mV. Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa semakin dekat ke sumber pemancar semakin besar juga tegangan yang dihasilkan.
Kata kunci: power harvester, wireless power transfer
i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Berkah dan Rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul:
“RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470–860 MHZ”
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu (S-1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Arman Sani, MT sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang selalu bersedia memberikan bantuan yang sangat dibutuhkan oleh penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Masykur Sjani, MT sebagai Dosen Wali penulis yang membantu penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
ii
5. Bapak Dr Ali Hanafiah Rambe, ST, MT dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 7. Kedua orang tua penulis atas semangat dan doanya kepada penulis dengan segala
pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai. 8. Teman- teman stambuk 2010 atas dukungan, doa; dan suka duka selama di bangku
perkuliahan. 9. Seluruh senior dan junior di Departemen Teknik Elektro, atas dukungan dan bantuan
yang diberikan kepada penulis. 10. Semua orang yang pernah mengisi setiap detik waktu yang telah dilalui bersama
penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Tanpa mereka, pengalaman penulis tidaklah lengkap.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan.
Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terimakasih Medan, April 2015 Penulis
Anthony
iii
DAFTAR ISI
ABSTRAK .................................................................................................................................i KATA PENGANTAR..............................................................................................................ii DAFTAR ISI............................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR..............................................................................................................vii DAFTAR TABEL ...................................................................................................................ix BAB I.........................................................................................................................................1
1.1 Latar Belakang ..........................................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah..................................................................................................2
1.3. Tujuan Penulisan ......................................................................................................2 1.4 Batasan Masalah .......................................................................................................2 1.5 Metodologi Penelitian ...............................................................................................3 1.6 Sistematika Penulisan ...............................................................................................4 BAB II .......................................................................................................................................5 2.1 Gelombang Elektromagnetik ...................................................................................5
2.2 Antena ........................................................................................................................7
2.2.1 Gain .....................................................................................................................7
2.2.2 Bandwith.............................................................................................................8
2.2.3 VSWR..................................................................................................................9
2.2.4
Antena Array.....................................................................................................10 iv
2.3 Dioda.........................................................................................................................11 2.4 Kapasitor..................................................................................................................12 2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)......................................................14 2.6 Power Harvester......................................................................................................15
2.6.1 Jumlah Stage ....................................................................................................16 2.6.2 Kapasitor Stage ................................................................................................16 2.6.3 Kapasitor Output .............................................................................................17 2.7 Voltage Gain ............................................................................................................18 2.8 Advanced Design System (ADS) 2009.....................................................................19 BAB III....................................................................................................................................21 3.1 Gambaran Umum Sistem .......................................................................................21 3.2 Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester .............................................22 3.3 Perangkat yang Digunakan ....................................................................................23 3.4 Simulasi ....................................................................................................................24 3.4.1 Jenis Simulator yang Digunakan....................................................................24 3.4.2 Perancangan Rangkaian Simulasi..................................................................25 3.5 Perancangan Power Harvester ..............................................................................25 BAB IV....................................................................................................................................28 4.1 Umum .......................................................................................................................28
v
4.2 Hasil Simulasi ..........................................................................................................28 4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage................................................28 4.2.2 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage..............................................31 4.2.3 Simulasi Rangkaian Power Harvester 15-stage..............................................32 4.2.4 Simulasi Rangkaian Power Harvester 20-stage..............................................33 4.2.5 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel.................................34
4.3 Analisa Hasil Simulasi ............................................................................................35 4.4 Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester ...............................37
4.4.1 Pengukuran pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU .............37 4.4.2 Pengukuran pada Stasiun Pemancar Televisi...............................................38 4.5 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Hasil Pengukuran....................................39 BAB V .....................................................................................................................................41 5.1 Kesimpulan ..............................................................................................................41 5.2 Saran.........................................................................................................................41 DAFTAR PUSTAKA...............................................................................................................x LAMPIRAN
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi................................................................ 7 Gambar 2.2 Antena Array ............................................................................................... 10 Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda......................................................................................... 11 Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 .................................................................................... 12 Gambar 2.4 (b) Agilent HSMS-2822 .................................................................................... 12 Gambar 2.5 Kondensator................................................................................................. 13 Gambar 2.6 Kapasitor...................................................................................................... 14 Gambar 2.7 Rangkaian Pelipat Dua Tegangan ............................................................... 14 Gambar 2.8 2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan.................................................... 16 Gambar 2.9 Kapasitor Stage............................................................................................. 17 Gambar 2.10 Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output .................. 17 Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB) ........ 18 Gambar 2.12 Tampilan Awal Advanced Design System 2009.......................................... 20 Gambar 3.1 Skema proses electromagnetic harvesting .................................................. 21 Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Power Harvester.............................................. 22 Gambar 3.3 Tampilan Pemilihan Simulator AC pada software ADS ............................. 24 Gambar 3.4 Rangkaian Power Harvester 20-stage ......................................................... 25 Gambar 3.5 Perancangan papan PCB Power Harvester ................................................. 26
vii
Gambar 3.6 Power Harvester 20-stage (atas) ................................................................. 26 Gambar 3.7 Power Harvester 20-stage (bawah) ............................................................. 27 Gambar 4.1 Rangkaian Power Harvester 5-stage........................................................... 29 Gambar 4.2 Tuning Kapasitor Stage dan Kapasitor Output............................................ 29 Gambar 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan kapasitor 1nF ................. 30 Gambar 4.4 Rangkaian Power Harvester 10-stage......................................................... 31 Gambar 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF................ 31 Gambar 4.6 Rangkaian Power Harvester 15-stage......................................................... 32 Gambar 4.7 Rangkaian Power Harvester 20-stage......................................................... 33 Gambar 4.8 Rangkaian Power Harvester 10-stage paralel............................................. 34 Gambar 4.9 Grafik hasil simulasi pada ADS .................................................................. 36 Gambar 4.10 Pengukuran pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU .............................. 37 Gambar 4.11 Grafik rise time tegangan pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU......... 38 Gambar 4.12 Grafik rise time tegangan pada Stasiun Pemancar Televisi ........................ 38 Gambar 4.13(a) Pemancar TV Bandar Baru .......................................................................... 39 Gambar 4.13(b) Pengukuran pada Pemancar TV .................................................................. 39
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Spektrum Frekuensi Gelombang Radio .............................................................. 6 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage ............................................................ 30 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage .......................................................... 32 Hasil Simulasi Power Harvester 15-stage .......................................................... 33 Hasil Simulasi Power Harvester 20-stage .......................................................... 34 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel .............................................. 35
ix
ABSTRAK
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik bebas. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik alternatif. Banyak penelitian yang sudah pernah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Tujuannya adalah menciptakan suatu sistem ramah lingkungan yang bisa menghasilkan energi listrik tanpa sumber tegangan listrik melainkan dengan menggunakan sinyal gelombang elektromagnetik sekitar.
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sistem Ambient Electromagnetic Harvesting dimana digunakan antena yagi TV sebagai antena penerima dan power harvester sebagai rectifier untuk merubah sinyal AC gelombang elektromagnetik daerah frekuensi TV yang diterima pada antena menjadi sinyal listrik DC dan menguatkannya. Sistem ambient electromagnetic harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 433 mV untuk pengukuran di daerah kota Medan, yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio, Sedangkan pengukuran di daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit, diperoleh tegangan rata-rata 2160 mV. Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa semakin dekat ke sumber pemancar semakin besar juga tegangan yang dihasilkan.
Kata kunci: power harvester, wireless power transfer
i
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada zaman modern ini, energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok bagi manusia, hal ini dikarenakan hampir semua aktifitas kehidupan manusia menggunakan listrik sebagai sumber energi utama. Energi listrik bisa dengan mudah dikonversikan ke dalam bentuk energi lain seperti: gerak, panas, cahaya, dan lain-lain. Sehingga dibutuhkan suatu upaya dalam penyediaan atau penghematan energi tersebut seiring dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat pada saat ini.
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Banyak penelitian yang sudah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Hasilnya menunjukkan bahwa sinyal TV dan sinyal BTS adalah sumber yang paling memungkinkan untuk dilakukan harvesting dimana sinyal TV memiliki daya pancaran yang paling tinggi dan sinyal BTS memiliki tingkat efisien yang tinggi di daerah perkotaan.
Oleh karena itu pada Tugas Akhir ini akan dirancang suatu sistem untuk menangkap sumber elektromagnetik bebas yang ada di alam (gelombang UHF dari pemancar TV) untuk kemudian diolah dan dijadikan sumber energi alternatif. Sumber energi alternatif yang akan dibahas pada Tugas Akhir ini adalah energi listrik. Perangkat yang dibutuhkan dalam sistem ini antara lain adalah antena penerima dan power harvester. Antena penerima yang digunakan adalah Antena Yagi TV komersil yang digunakan di rumah, berfungsi untuk menerima gelombang elektromagnetik ruang bebas dan merubahnya menjadi
1
2
gelombang elektromagnetik terbimbing. Sedangkan power harvester berfungsi untuk merubah sinyal gelombang elektromagnetik terbimbing (gelombang AC) dari antena menjadi gelombang listrik DC sekaligus menguatkannya. Energi Listrik DC keluaran yang telah dikuatkan tersebut diharapkan dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik berdaya kecil, seperti charge baterai; atau menghidupkan lampu berdaya kecil.
1.2 Perumusan Masalah Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Apa yang dimaksud dengan power harvester ? 2. Bagaimana merancang power harvester yang optimal dan menghasilkan tegangan
yang paling besar? 3. Apa saja parameter yang mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester ?
1.3. Tujuan Penulisan Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan merancang bangun power harvester yang
digunakan untuk mengubah dan menguatkan sinyal gelombang elektromagnetik yang ditangkap dari ruang bebas dengan sebuah antena pada frekuensi TV Broadcasting dan diharapkan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan energi listrik berdaya kecil.
. 1.4 Batasan Masalah
Agar isi dan pembahasan Tugas Akhir ini menjadi terarah, maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Hanya membahas tentang power harvester.
3
2. Frekuensi yang dibahas yaitu frekuensi TV broadcasting (470 – 860 Mhz) 3. Parameter yang dibahas pada power harvester adalah tegangan yang berhasil diperoleh. 4. Penggunaan simulator Advanced Design System untuk menentukan jumlah stage dan
nilai kapasitor stage yang digunakan.
1.5 Metodologi Penelitian Metode penelitian yang digunakan adalah : a. Studi literatur dan bimbingan Dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan Tugas Akhir yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau dari perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, layanan internet, dan lain-lain. b. Simulasi Merancang rangkaian power harvester pada software Advanced Design System dan mensimulasikan hasil keluaran dan kapasitor mana yang menghasilkan hasil paling optimal. c. Perancangan power harvester Merancang power harvester pada software Proteus 7 Professional dan membangun power harvester tersebut pada PCB. d. Ujicoba dan analisa data Melakukan ujicoba secara umum terhadap antena dan power harvester yang telah dibangun dan mengukur parameternya dengan alat ukur yang ada. e. Kesimpulan Yaitu menarik kesimpulan dari analisa data yang telah dilakukan
4
1.6 Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah,
tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika
penulisan.
BAB II
TEORI DASAR
Bab ini berisi penjelasan tentang antena dan power harvester secara umum.
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini berisi penjelasan tentang alat-alat yang digunakan, perancangan
rangkaian simulasi dan perancangan power harvester
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang hasil simulasi rangkaian power harvester pada ADS
dan pengukuran pada lapangan.
BAB V
PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah
diperoleh.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Gelombang Elektromagnetik Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat.
Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet) [1].
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz [1].
Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 [1].
(2.1) Dimana : λ = panjang gelombang (m) c = cepat rambat cahaya (m/s) ƒ = frekuensi (Hz)
5
6
Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1 [1].
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio
Nama Band Singkatan
Extremely Low Frequency
Super Low Frequency
Ultra Low Frequency
Very Low Frequency
Low Frequency
Medium Frequency
High Frequency
Very High Frequency
Ultra High Frequency
Super High Frequency
Extremely High Frequency
ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
Band ITU
1
2
3
4 5 6 7 8
9
10
11
Frekuensi (f) 3-30 Hz
30-300 Hz 300 – 3000 Hz
Panjang Gelombang (λ)
100.000 km 10.000 km
10.000 km-1000 km
1000 km – 100 km
3 – 30 KHz
100 km – 10 km
30 – 300 KHz
10 km – 1 km
300 – 3000 KHz 1 km – 100 m
3 – 30 MHz
100 m – 10 m
30 – 300 MHz
10 m – 1 m
300 – 3000 MHz 3 – 30 GHz 30 – 300 GHz
1 m – 100 mm
100 mm – 10 mm
10 mm – 1 mm
7
2.2 Antena
Antena didefinisikan sebagai suatu perangkat logam (misalnya batang konduktor atau kawat) yang berfungsi meradiasikan atau menerima gelombang radio. Standar IEEE 145-1983 mendefinisikan antena atau aerial sebagai suatu alat yang berfungsi untuk meradiasikan dan menerima gelombang radio. Dengan kata lain antena adalah struktur pengalihan antara ruang bebas dan media pembimbing, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1[2].
Sumber
Saluran Transmisi
Antena
Gelombang yang merambat di ruang
bebas
Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi
Media pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk suatu kabel coaxial atau pipa kosong/bumbung gelombang (waveguide), dan media pembimbing ini digunakan untuk membawa energi elektromagnetik dari sumber pancaran (transmitter) hingga sampai ke antena, atau dari antena hingga sampai ke perangkat penerima (receiver)[2].
2.2.1 Gain
Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan
8
sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut dapat dihitung dengan [2]:
(2.2)
2.2.2 Bandwith
Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”rentang frekuensi antena dengan beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang[2].
Untuk persamaan bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br) dinyatakan sebagai[3]:
Bp
=
fu − fc
fl
×100%
(2.3)
fc
=
fu + 2
fl
(2.4)
Br
=
fu fl
(2.5)
dengan : Bp = bandwidth dalam persen (%) Br = bandwidth rasio fu = jangkauan frekuensi atas (Hz) fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz)
9
2.2.3 VSWR
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [2] :
(2.6)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran. Rumus untuk mendari VSWR adalah [2] :
VSWR =
(2.7)
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan dalam perancangan antena adalah ≤ 2.
10 2.2.4 Antena Array
Berbagai aplikasi memerlukan karakteristik radiasi yang tidak bisa didapatkan dari suatu element tunggal. Sehingga, sangat memungkinkan untuk mengumpulkan elemen-elemen radiasi tersebut untuk dapat disusun pada suatu susunan (array) elektris dan geometris tertentu sehingga menghasilkan karakteristik radiasi tertentu yang diinginkan.
Susunan dari array tersebut dapat menambah atau memberikan pancaran maksimum pada suatu arah tertentu, minimum pada arah lainnya, atau sebaliknya seperti yang diinginkan. Istilah array maksudnya adalah suatu susunan/konfigurasi tertentu dimana elemen pemancar secara individual terpisah pada jarak tertentu. Susunan Array dapat dilihat pada Gambar 2.2 [2].
Gambar 2.2 Antena Array Salah satu model dari antena array adalah antena Yagi-Uda. Yagi-Uda adalah antena yang beroperasi pada rentang frekuensi HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) dan UHF (3003000 MHz). Antena ini terdiri dari sejumlah elemen dipol linear, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3, dengan salah satu elemen diberikan energi secara langsung dari suatu saluran
11 transmisi dan elemen yang lainnya berfungsi sebagai elemen parasit dengan arus yang terinduksi melalui induktansi bersama[2].
Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda Antena ini dirancang untuk dapat beroperasi secara khusus sebagai susunan end-fire array dengan cara meletakkan elemen parasit pada berkas depan sebagai pengarah (director) dan elemen yang tersisa lainnya sebagai reflektor. Yagi-Uda telah digunakan sebagai antena TV rumah[2].
2.3 Dioda Pada power harvester yang akan dirancang dapat digunakan beberapa jenis dioda yaitu
dioda Schottky Agilent HSMS-282x atau dioda germanium 1N34. Tipe dioda yang digunakan pada tugas akhir ini adalah dioda Schottky Agilent HSMS-2822 karena Agilent menyebutnya sebagai komponen yang paling bagus untuk aplikasi RF mixer atau rangkaian detektor.
12 Keluarga dioda Schottky Agilent HSMS-282x terbagi menjadi beberapa macam dibedakan dengan digit terakhirnya. Digit yang berbeda memiliki datasheet rangkaian yang berbeda pula. Contoh dioda yang sering digunakan HSMS-2820 dapat dilihat pada Gambar 2.4 (a), memiliki 3 pin dengan 2 pada sisi yang sama dan 1 pada sisi yang lain membentuk segitiga, pin ke-3 biasa tidak digunakan. Sedangkan pada Gambar 2.4 (b) dapat dilihat merupakan konfigurasi dari HSMS-2822 yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Semua pin terhubung satu sama lain membentuk suatu segitiga. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat langsung pada datasheet rangkaian dioda Schottky Agilent-282x pada Lampiran 1 pada Tugas Akhir ini [4].
(a) (b) Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 (b) Agilent HSMS-2822
2.4 Kapasitor Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah sebuah komponen elektronika
pasif yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alexsandro Volta seorang
13 ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya [5].
Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung. Bentuk kondensator dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Kondensator Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju [5]. Bentuk kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.6.
14
Gambar 2.6 Kapasitor 2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)
Pelipat-ganda-tegangan adalah dua atau lebih penyearah puncak yang menghasilkan tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan masuk (2Vp, 3Vp, 4Vp, dan seterusnya). Catu daya ini digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi/arus rendah seperti CRT (tabung sinar katoda) TV, osiloskop, dan computer display. [4]
Gambar 2.7 Rangkaian Pelipat Dua Tegangan
15 Gambar 2.7 menggambarkan sebuah rangkaian 1-stage pelipat dua tegangan. Gelombang RF disearahkan pada D2 dan C2 pada setengah siklus positif dan pada D1 dan C1 pada siklus negatif. Tetapi, pada saat setengah siklus positif, tegangan yang disimpan pada kapasitor C1 pada setengah siklus negative di transfer ke C2 sehingga menyebabkan menjadi dua kali dari tegangan yang masuk. Inilah yang menyebabkan rangkaian ini disebut sebagai pelipat ganda tegangan (voltage doubler). Hal yang paling menarik dari rangkaian ini adalah kita dapat menggabungkannya secara seri seperti kita menggabungkan baterai secara seri untuk mendapat tegangan output yang lebih besar. Anggap digunakan baterai dengan tegangan Vo yang memiliki tahanan dalam Ro. Ketika dihubungkan secara seri pada sebanyak n buah dan dihubungkan pada beban RL, tegangan keluaran akan seperti Persamaan 2.8,
(2.8) Dari Persamaan 3.1, dapat dilihat bahwa Vo, Ro dan RL adalah sebuah nilai konstanta maka nilai tegangan output berbanding lurus dengan jumlah nilai n, dimana semakin besar n yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar [4].
2.6 Power Harvester Power harvester merupakan suatu alat yang digunakan untuk memanen kembali energi
yang berada pada alam ini dan mengubahnya menjadi energi listrik. Biasanya rangkaian pada power harvester ini terdiri dari rangkaian penyearah dan rangkaian pelipat ganda tegangan.
16 2.6.1 Jumlah Stage
Jumlah stage, yang ditunjukan pada Gambar 2.8 merupakan sistem yang paling berpengaruh pada tegangan keluaran. Kapasitansi pada stage dan ujung rangkaian mempengaruhi kecepatan dari respon transient dan kestabilan dari sinyal keluaran.
Gambar 2.8 2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan
2.6.2 Kapasitor Stage Kapasitor stage pada Gambar 2.9 merupakan parameter yang sulit untuk ditentukan.
Kadang hanya dengan mengganti nilai kapasitor stage sedikit saja dapat memberikan perubahan yang sangat drastis pada tegangan keluaran. Kapasitor stage ini merupakan parameter yang sangat sensitif karena jika ingin mengubahnya maka harus menyolder ulang seluruh kapasitor yang ada pada rangkaian.
17
2.6.3 Kapasitor Output
Gambar 2.9 Kapasitor Stage
Variabel yang paling sedikit memberikan efek pada sistem yang akan dirancang ini adalah kapasitor output yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Nilai dari kapasitor ini hanya mempengaruhi kecepatan dari respon transient. Semakin besar nilai kapasitor output yang digunakan, maka semakin lambat rise time tegangan. Jadi penggunaan kapasitor output yang semakin kecil adalah yang terbaik, atau kalau bisa tanpa menggunakan kapasitor. Tetapi jika tanpa kapasitor, output sinyal yang dihasilkan bukan berupa sinyal DC yang bagus melainkan sinyal AC offset, atau sinyal DC dengan ripple.
Gambar 2.10 Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output
18 2.7 Voltage Gain
Secara umum untuk menggambarkan gain tegangan dari sebuah penguat dengan satuan sekian desibel, ini tidak benar-benar digunakan secara akurat untuk setiap unit. Hal ini boleh saja menggunakan desibel untuk membandingkan output dari sebuah penguat pada frekuensi yang berbeda, karena semua pengukuran daya output atau tegangan diambil dengan impedansi yang sama (beban penguat), tetapi saat menjelaskan gain tegangan (antara input dan output) dari sebuah penguat, input dan output tegangan sedang dikembangkan di seluruh impedansi sangat berbeda. Namun hal ini boleh diterima secara luas juga menjelaskan gain tegangan dalam desibel.
Adapun Persamaan 2.9 dibawah merupakan perbandingan rumus perbandingan tegangan dalam decibel dan pada Gambar 2.11 merupakan grafik perbandingan tegangan dengan level tegangan (dalam dB).
(2.9)
Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB)
19
2.8 Advanced Design System (ADS) 2009
Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang RF, microwave, dan aplikasi digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang paling inovatif dan sukses secara komersial.
Banyak perusahaan besar yang bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE, multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit.
Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai berikut: 1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout PCB Allegro. 2. Kemampuan untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya
pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE. 3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi. 4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa cirri kanal, dan dapat menjalan jutaan bit
data dalam hanya beberapa menit.
Adapun tampilan dari Advanced Design System 2009 terlihat pada Gambar 2.12 dan informasi lebih lanjut mengenai software Advanced Design System 2009 ini dapat dilihat pada Lampiran 2 pada Tugas Akhir ini.
20 Gambar 2.12 Tampilan Awal Advanced Design System 2009
BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1 Gambaran Umum Sistem Wireless power transfer (WPT) adalah transmisi energi listrik dari sumber listrik ke
beban listrik interkoneksi tanpa kabel. Wireless power transfer berbeda dengan transmisi informasi secara wireless. Pada transmisi informasi parameter penting yang digunakan adalah signal to noise ratio (SNR) menjadi parameter penting, pada wireless power transfer efisiensi menjadi parameter paling penting.
Wireless power transfer dibagi menjadi dua macam yaitu near field dan far field. Near field berarti transmisi energi listrik dilakukan dalam jarak yang relatif dekat yaitu sekitar beberapa meter saja. Sedangkan far field berarti transmisi energi dilakukan dalam jarak jauh dalam jarak beberapa kilometer. Contoh far field adalah electromagnetic harvesting atau radio frequency harvesting adalah pengambilan medan elektromagnetik untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Sistem electromagnetic harvesting terdiri atas antena, rectifier, dan rangkaian penguat tegangan. Adapun skema alat ambient electromagnetic harvesting dapat dilihat pada Gambar 3.1 [6].
Gambar 3.1 Skema proses electromagnetic harvesting 21
22
3.2 Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester Pengerjaan power harvester dimulai dari perencanaan dan simulasi, proses perakitan
rangkaian, dan pengujian hasil rangkaian. Gambar 3.2 merupakan diagram alir dari perancangan sistem ini.
Mulai
Mengumpulkan teori dan komponen yang dibutuhkan
Perencanaan dan Simulasi rangkaian
Perakitan rangkaian power harvester sesuai hasil simulasi
Pengukuran rangkaian power harvester
Apakah hasil sudah sesuai dengan yang diharapkan?
Tidak
Ya
Pengujian lapangan, analisa data dan penarikan kesimpulan
Selesai
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Power Harvester
23
3.3 Perangkat yang Digunakan
Perancangan alat power harvester ini menggunakan beberapa perangkat lunak untuk membantu penulis dalam mengetahui karakteristik dari power harverster dan perancangan rangkaian power harvester tersebut. Adapun perangkat lunak yang digunakan adalah Advanced Design System 2009, perangkat ini digunakan untuk mensimulasikan rangkaian yang akan dibuat, dan Proteus ARES 7 Professional digunakan untuk merancang rangkaian yang akan dibuat. Peralatan keras yang digunakan adalah sebagai berikut:
1. Laptop Acer Aspire 4738G. 2. Meteran dan penggaris. 3. Spidol. 4. Pisau cutter. 5. Tang jepit dan tang potong. 6. Gerinda. 7. Bor tangan. 8. Timah solder. 9. Papan PCB polos. 10. Larutan Ferit Klorida. 11. Solder dan penghisap timah. 12. Multimeter digital 13. Kapasitor 14. Dioda HSMS-2822-TR1G 15. Kabel listrik 16. Konektor antena 17. Antena komersil Bentz Digital TV Antena BZ-238 18. Kabel antena RG6U merek KAON premium
24 3.4 Simulasi
Pada Tugas Akhir ini, akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester untuk mendapatkan kapasitor manakah yang dapat menghasilkan keluaran tegangan yang paling maksimal.
3.4.1 Jenis Simulator yang Digunakan Pada software ADS ini terdapat banyak sekali parameter parameter simulasinya. Untuk
simulator Analog/RF terbagi menjadi: circuit simulators, AC simulation, DC simulation, Sparameter simulation, harmonic balance simulation, gain compression simulation, channel simulation, dan lain-lain. Pemilihan simulator tersebut sangat penting dimana itu yang menunjukkan tampilan hasil output yang akan di simulasi.
Pada Tugas Akhir ini simulator pada ADS yang akan digunakan adalah AC Simulation, dimana komponen simulasi AC menunjukkan analisis AC untuk sinyal kecil dan linear. Simulasi AC ini memungkinkan kamu untuk mendapat parameter transfer sinyal kecil seperti: voltage gain, current gain, transimpedance, transadmittance dan linear noise. Berikut pada Gambar 3.3 merupakan tampilan pemilihan simulator AC yang digunakan.
Gambar 3.3 Tampilan Pemilihan Simulator AC pada software ADS
25 3.4.2 Perancangan Rangkaian Simulasi
Setelah menentukan jenis simulator yang digunakan, berikutnya adalah merancang langsung rangkaian yang akan dibuat pada software ADS ini. Perancangan rangkaian ini dimulai dengan mengambil komponen dioda Schottky Agilent HSMS-2882 yang ada pada library ADS ini kemudian disusun secara bertahap dengan kapasitor membentuk rangkaian pelipat ganda tegangan. Jumlah stage yang akan dirancang yaitu 5 stage, 10 stage, 15 stage, 20 stage, dan 10 stage paralel yang selanjutnya akan dibahas pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini.
Berikut pada Gambar 3.4 merupakan hasil rancangan rangkaian power harvester 20 stage yang akan disimulasikan dengan AC simulation pada software ADS ini.
Gambar 3.4 Rangkaian Power Harvester 20-stage
3.5 Perancangan Power Harvester Pada perancangan power harvester dilakukan terlebih dahulu simulasi pada software
ADS kemudian merancang PCB nya dengan menggunakan software ARES Proteus 7
26 Professional. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin bertambah stage yang digunakan maka tegangan keluaran akan semakin besar, Untuk hasil simulasi selengkapnya akan dijelaskan pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini. Berikut pada Gambar 3.5 merupakan tampilan perancangan rangkaian power harvester 20-stage pada software Proteus ARES 7 Professional.
Gambar 3.5 Perancangan papan PCB Power Harvester Pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7 merupakan tampilan hasil rancangan power harvester yang dirancang untuk sistem ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini.
Gambar 3.6 Power Harvester 20-stage (atas)
27 Gambar 3.7 Power Harvester 20-stage (bawah)
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Umum Pada Bab ini akan dibahas hasil simulasi sistem ambient electromagnetic harvester
dengan simulator Advanced Design System (atau biasa disebut ADS) untuk mendapatkan hasil keluaran power harvester yang paling optimal dengan mengubah 3 parameter penting pada sebuah power harvester yaitu: jumlah stage, kapasitor stage dan kapasitor output. Kemudian merancang power harvester tersebut dan dilakukan ujicoba langsung dengan menghubungkannya pada antena yagi komersil yang digunakan pada rumah untuk mendapatkan hasil/data keluaran di lapangan. Pengukuran di lapangan dilakukan di dua tempat yaitu pada daerah perkotaan pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara dan pada daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit.
4.2 Hasil Simulasi Pada bagian ini akan dibahas hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage,
10-stage, 15-stage, 20-stage, dan 10-stage paralel.
4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage Pada software ADS, pertama-tama dirancang rangkaian power harvester 5 stage
seperti Gambar 4.1. Kemudian dilakukan tuning untuk mengatur nilai kapasitor yang akan digunakan.
28
29
Gambar 4.1 Rangkaian Power Harvester 5-stage Pada Gambar 4.2 menunjukkan proses tuning kapasitor stage dan kapasitor output.
Gambar 4.2 Tuning Kapasitor Stage dan Kapasitor Output
Berikut pada Gambar 4.3 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.
30
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan Kapasitor 1nF
Hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage ini selengkapnya dapat dilihat pada
Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-85.449
-85.337
-85.178
-105.183
-105.067
-104.903
-118.601
-118.485
-118.321
-125.156
-125.04
-124.875
-145.153
-145.037
-144.873
-165.153
-165.037
-164.872
-178.595
-178.479
178.314
-185.153
-185.037
-184.872
31 4.2.2 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage
Setelah dilakukan simulasi rangkaian power harvester 5-stage, berikutnya akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester 10-stage untuk melihat hasil keluarannya dibandingkan dengan rangkaian power harvester 5-stage. Rangkaian power harvester 10stage pada software ADS akan ditunjukkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Rangkaian Power Harvester 10-stage Berikut pada Gambar 4.5 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.
Gambar 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF
32
Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-74.181
-74.079
-73.933
-93.224
-93.110
-92.947
-106.578
-106.462
-106.298
-113.123
-113.007
-112.843
-133.113
-132.997
-132.832
-153.112
-152.996
-152.831
-166.554
-166.438
-166.273
-171.754
-171.638
-171.474
4.2.3 Simulasi Rangkaian Power Harvester 15-stage Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage dan 10 stage, dapat
dilihat tegangan output yang dihasilkan semakin besar. Untuk memastikan kesimpulan tersebut maka dilakukan simulasi rangkaian power harvester 15-stage yang dapat ditunjukkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Rangkaian Power Harvester 15-stage
33
Hasil simulasi rangkaian power harvester 15-stage selengkapnya akan ditunjukkan
pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 15-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-68.280
-68.191
-68.064
-86.314
-86.202
-86.042
-99.563
-99.448
-99.284
-106.093
-105.977
-105.813
-126.070
-125.955
-125.790
-146.068
-145.952
-145.788
-159.510
-159.394
-159.229
-166.068
-165.952
-165.787
4.2.4 Simulasi Rangkaian Power Harvester 20-stage Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage, 10-stage, dan 15-stage
diatas, dapat dilihat jumlah stage yang makin banyak akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar, maka diambil keputusan untuk merancang power harvester 20-stage untuk Tugas Akhir ini. Sebelum perancangan terlebih dahulu disimulasikan rangkaian power harvester 20-stage yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Rangkaian Power Harvester 20-stage
34
Hasil simulasi rangkaian power harvester 20-stage selengkapnya akan ditunjukkan
pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Power Harvester 20-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-64.669
-64.593
-64.485
-81.500
-81.390
-81.233
-94.605
-94.491
-94.328
-101.114
-100.999
-100.835
-121.075
-120.959
-120.794
-141.071
-140.955
-140.790
-154.512
-154.397
-154.232
-161.076
-160.955
-160.790
4.2.5 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel Simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel bertujuan untuk mendapat arus
yang lebih besar dengan memparalelkan 2 buah rangkaian voltage doubler. Hasil perancangan rangkaiannya pada software ADS dapat dilihat pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8 Rangkaian Power Harvester 10-stage paralel
35
Ternyata dengan memparalelkan dua buah rangkaian power harvester 10-stage tidak mempengaruhi tegangan keluaran yang dihasilkan. Hasil keluaran tegangan pada rangkaian paralel ini sama persis dengan rangkaian power harvester 10-stage tunggal. Ini sesuai dengan prinsip rangkaian listrik dimana pada setiap rangkaian paralel yang dihubungkan dengan sumber yang sama akan memiliki tegangan yang sama, dan arus pada rangkaian paralel akan semakin besar daripada rangkaian yang terhubung secara seri.
Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel selengkapnya akan
ditunjukkan pada Tabel 4.5.
Tabel 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-74.181
-74.079
-73.933
-93.224
-93.110
-92.947
-106.578
-106.462
-106.298
-113.123
-113.007
-112.843
-133.113
-132.997
-132.832
-153.112
-152.996
-152.831
-166.554
-166.438
-166.273
-171.754
-171.638
-171.474
4.3 Analisa Hasil Simulasi Dari hasil simulasi 5 buah rangkaian power harvester yang dilakukan dapat diambil
kesimpulan bahwa jumlah stage bersifat linear dimana semakin banyak stage rangkaian voltage doubler akan menghasilkan tegangan yang makin besar. Kenaikan nilai kapasitor stage yang digunakan menyebabkan tegangan keluaran semakin buruk, dan parameter
36 terakhir yaitu kapasitor output dilakukan simulasi dengan menggunakan kapasitor elco 10 uF, 100 uF, dan 1000 uF. Hasil menunjukkan kapasitor output tidak mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester yang akan dirancang. Pada Gambar 4.9 dapat dilihat hasil simulasi power harvester yang dirancang dalam bentuk grafik.
Grafik Lv VS Jumlah Stage Jumlah Stage
Lv (dB)
Gambar 4.9 Grafik hasil simulasi pada ADS
Maka, untuk keputusan akhir pada perancangan power harvester untuk sistem ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini adalah membuat rangkaian power harvester 20-stage dengan kapasitor stage 1 nF, dan kapasitor output 100 uF.
37 4.4 Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester
Setelah dirancang alat power harvester tersebut maka akan dilakukan uji coba ambient
860 MHZ
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
ANTHONY 100402045
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2015
LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470 - 860 MHZ
Oleh :
ANTHONY 100402045
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat untuk mememperoleh gelar Sarjana Teknik pada
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
Sidang pada tanggal 08 bulan April tahun 2015 di depan Penguji: 1. Ketua Penguji : Dr. Ali Hanafiah Rambe, S.T.M.T 2. Anggota Penguji : Rahmad Fauzi, S.T.M.T
Disetujui oleh: Pembimbing,
Ir. Arman Sani, M.T NIP : 196411281991021001
Diketahui oleh: Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,
Ir. SURYA TARMIZI KASIM, M.Si NIP. 195405311986011002
ABSTRAK
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik bebas. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik alternatif. Banyak penelitian yang sudah pernah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Tujuannya adalah menciptakan suatu sistem ramah lingkungan yang bisa menghasilkan energi listrik tanpa sumber tegangan listrik melainkan dengan menggunakan sinyal gelombang elektromagnetik sekitar.
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sistem Ambient Electromagnetic Harvesting dimana digunakan antena yagi TV sebagai antena penerima dan power harvester sebagai rectifier untuk merubah sinyal AC gelombang elektromagnetik daerah frekuensi TV yang diterima pada antena menjadi sinyal listrik DC dan menguatkannya. Sistem ambient electromagnetic harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 433 mV untuk pengukuran di daerah kota Medan, yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio, Sedangkan pengukuran di daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit, diperoleh tegangan rata-rata 2160 mV. Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa semakin dekat ke sumber pemancar semakin besar juga tegangan yang dihasilkan.
Kata kunci: power harvester, wireless power transfer
i
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas Berkah dan Rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul:
“RANCANG BANGUN POWER HARVESTER UNTUK TRANSFER DAYA WIRELESS MENGGUNAKAN ANTENA TV FREKUENSI 470–860 MHZ”
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu (S-1) di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terimakasih yang tulus dan sebesar-besarnya kepada:
1. Bapak Ir. Arman Sani, MT sebagai Dosen Pembimbing Tugas Akhir penulis yang selalu bersedia memberikan bantuan yang sangat dibutuhkan oleh penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Masykur Sjani, MT sebagai Dosen Wali penulis yang membantu penulis selama menyelesaikan pendidikan di kampus USU.
3. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si sebagai Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
4. Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
ii
5. Bapak Dr Ali Hanafiah Rambe, ST, MT dan Bapak Rahmad Fauzi, ST, MT sebagai dosen penguji Tugas Akhir, atas masukan dan bantuannya dalam penyempurnaan Tugas Akhir ini.
6. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai Departemen Teknik Elektro FT-USU. 7. Kedua orang tua penulis atas semangat dan doanya kepada penulis dengan segala
pengorbanan dan kasih sayang yang tidak ternilai. 8. Teman- teman stambuk 2010 atas dukungan, doa; dan suka duka selama di bangku
perkuliahan. 9. Seluruh senior dan junior di Departemen Teknik Elektro, atas dukungan dan bantuan
yang diberikan kepada penulis. 10. Semua orang yang pernah mengisi setiap detik waktu yang telah dilalui bersama
penulis yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Tanpa mereka, pengalaman penulis tidaklah lengkap.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih banyak kekurangannya. Kritik dan saran dari pembaca untuk menyempurnakan Tugas Akhir ini sangat penulis harapkan.
Akhir kata semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Terimakasih Medan, April 2015 Penulis
Anthony
iii
DAFTAR ISI
ABSTRAK .................................................................................................................................i KATA PENGANTAR..............................................................................................................ii DAFTAR ISI............................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR..............................................................................................................vii DAFTAR TABEL ...................................................................................................................ix BAB I.........................................................................................................................................1
1.1 Latar Belakang ..........................................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah..................................................................................................2
1.3. Tujuan Penulisan ......................................................................................................2 1.4 Batasan Masalah .......................................................................................................2 1.5 Metodologi Penelitian ...............................................................................................3 1.6 Sistematika Penulisan ...............................................................................................4 BAB II .......................................................................................................................................5 2.1 Gelombang Elektromagnetik ...................................................................................5
2.2 Antena ........................................................................................................................7
2.2.1 Gain .....................................................................................................................7
2.2.2 Bandwith.............................................................................................................8
2.2.3 VSWR..................................................................................................................9
2.2.4
Antena Array.....................................................................................................10 iv
2.3 Dioda.........................................................................................................................11 2.4 Kapasitor..................................................................................................................12 2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)......................................................14 2.6 Power Harvester......................................................................................................15
2.6.1 Jumlah Stage ....................................................................................................16 2.6.2 Kapasitor Stage ................................................................................................16 2.6.3 Kapasitor Output .............................................................................................17 2.7 Voltage Gain ............................................................................................................18 2.8 Advanced Design System (ADS) 2009.....................................................................19 BAB III....................................................................................................................................21 3.1 Gambaran Umum Sistem .......................................................................................21 3.2 Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester .............................................22 3.3 Perangkat yang Digunakan ....................................................................................23 3.4 Simulasi ....................................................................................................................24 3.4.1 Jenis Simulator yang Digunakan....................................................................24 3.4.2 Perancangan Rangkaian Simulasi..................................................................25 3.5 Perancangan Power Harvester ..............................................................................25 BAB IV....................................................................................................................................28 4.1 Umum .......................................................................................................................28
v
4.2 Hasil Simulasi ..........................................................................................................28 4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage................................................28 4.2.2 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage..............................................31 4.2.3 Simulasi Rangkaian Power Harvester 15-stage..............................................32 4.2.4 Simulasi Rangkaian Power Harvester 20-stage..............................................33 4.2.5 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel.................................34
4.3 Analisa Hasil Simulasi ............................................................................................35 4.4 Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester ...............................37
4.4.1 Pengukuran pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio USU .............37 4.4.2 Pengukuran pada Stasiun Pemancar Televisi...............................................38 4.5 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Hasil Pengukuran....................................39 BAB V .....................................................................................................................................41 5.1 Kesimpulan ..............................................................................................................41 5.2 Saran.........................................................................................................................41 DAFTAR PUSTAKA...............................................................................................................x LAMPIRAN
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi................................................................ 7 Gambar 2.2 Antena Array ............................................................................................... 10 Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda......................................................................................... 11 Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 .................................................................................... 12 Gambar 2.4 (b) Agilent HSMS-2822 .................................................................................... 12 Gambar 2.5 Kondensator................................................................................................. 13 Gambar 2.6 Kapasitor...................................................................................................... 14 Gambar 2.7 Rangkaian Pelipat Dua Tegangan ............................................................... 14 Gambar 2.8 2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan.................................................... 16 Gambar 2.9 Kapasitor Stage............................................................................................. 17 Gambar 2.10 Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output .................. 17 Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB) ........ 18 Gambar 2.12 Tampilan Awal Advanced Design System 2009.......................................... 20 Gambar 3.1 Skema proses electromagnetic harvesting .................................................. 21 Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Power Harvester.............................................. 22 Gambar 3.3 Tampilan Pemilihan Simulator AC pada software ADS ............................. 24 Gambar 3.4 Rangkaian Power Harvester 20-stage ......................................................... 25 Gambar 3.5 Perancangan papan PCB Power Harvester ................................................. 26
vii
Gambar 3.6 Power Harvester 20-stage (atas) ................................................................. 26 Gambar 3.7 Power Harvester 20-stage (bawah) ............................................................. 27 Gambar 4.1 Rangkaian Power Harvester 5-stage........................................................... 29 Gambar 4.2 Tuning Kapasitor Stage dan Kapasitor Output............................................ 29 Gambar 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan kapasitor 1nF ................. 30 Gambar 4.4 Rangkaian Power Harvester 10-stage......................................................... 31 Gambar 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF................ 31 Gambar 4.6 Rangkaian Power Harvester 15-stage......................................................... 32 Gambar 4.7 Rangkaian Power Harvester 20-stage......................................................... 33 Gambar 4.8 Rangkaian Power Harvester 10-stage paralel............................................. 34 Gambar 4.9 Grafik hasil simulasi pada ADS .................................................................. 36 Gambar 4.10 Pengukuran pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU .............................. 37 Gambar 4.11 Grafik rise time tegangan pada Lab Sistem Komunikasi Radio USU......... 38 Gambar 4.12 Grafik rise time tegangan pada Stasiun Pemancar Televisi ........................ 38 Gambar 4.13(a) Pemancar TV Bandar Baru .......................................................................... 39 Gambar 4.13(b) Pengukuran pada Pemancar TV .................................................................. 39
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel 4.1 Tabel 4.2 Tabel 4.3 Tabel 4.4 Tabel 4.5
Spektrum Frekuensi Gelombang Radio .............................................................. 6 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage ............................................................ 30 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage .......................................................... 32 Hasil Simulasi Power Harvester 15-stage .......................................................... 33 Hasil Simulasi Power Harvester 20-stage .......................................................... 34 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel .............................................. 35
ix
ABSTRAK
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik bebas. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Gelombang elektromagnetik ini dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik alternatif. Banyak penelitian yang sudah pernah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Tujuannya adalah menciptakan suatu sistem ramah lingkungan yang bisa menghasilkan energi listrik tanpa sumber tegangan listrik melainkan dengan menggunakan sinyal gelombang elektromagnetik sekitar.
Pada Tugas Akhir ini akan dirancang sistem Ambient Electromagnetic Harvesting dimana digunakan antena yagi TV sebagai antena penerima dan power harvester sebagai rectifier untuk merubah sinyal AC gelombang elektromagnetik daerah frekuensi TV yang diterima pada antena menjadi sinyal listrik DC dan menguatkannya. Sistem ambient electromagnetic harvesting yang dirancang dapat menghasilkan tegangan rata-rata sebesar 433 mV untuk pengukuran di daerah kota Medan, yaitu pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio, Sedangkan pengukuran di daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit, diperoleh tegangan rata-rata 2160 mV. Dari pengukuran yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa semakin dekat ke sumber pemancar semakin besar juga tegangan yang dihasilkan.
Kata kunci: power harvester, wireless power transfer
i
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pada zaman modern ini, energi listrik telah menjadi kebutuhan pokok bagi manusia, hal ini dikarenakan hampir semua aktifitas kehidupan manusia menggunakan listrik sebagai sumber energi utama. Energi listrik bisa dengan mudah dikonversikan ke dalam bentuk energi lain seperti: gerak, panas, cahaya, dan lain-lain. Sehingga dibutuhkan suatu upaya dalam penyediaan atau penghematan energi tersebut seiring dengan perkembangan teknologi yang sangat pesat pada saat ini.
Di alam bebas ini terdapat banyak sekali sumber gelombang elektromagnetik. WiFi transmitters, base station telepon seluler, radio AM/FM, stasiun pemancar TV adalah sumber gelombang elektromagnetik dengan daya keluaran yang berbeda-beda. Banyak penelitian yang sudah dilakukan untuk pengkonversian energi gelombang elektromagnetik menjadi energi listrik. Hasilnya menunjukkan bahwa sinyal TV dan sinyal BTS adalah sumber yang paling memungkinkan untuk dilakukan harvesting dimana sinyal TV memiliki daya pancaran yang paling tinggi dan sinyal BTS memiliki tingkat efisien yang tinggi di daerah perkotaan.
Oleh karena itu pada Tugas Akhir ini akan dirancang suatu sistem untuk menangkap sumber elektromagnetik bebas yang ada di alam (gelombang UHF dari pemancar TV) untuk kemudian diolah dan dijadikan sumber energi alternatif. Sumber energi alternatif yang akan dibahas pada Tugas Akhir ini adalah energi listrik. Perangkat yang dibutuhkan dalam sistem ini antara lain adalah antena penerima dan power harvester. Antena penerima yang digunakan adalah Antena Yagi TV komersil yang digunakan di rumah, berfungsi untuk menerima gelombang elektromagnetik ruang bebas dan merubahnya menjadi
1
2
gelombang elektromagnetik terbimbing. Sedangkan power harvester berfungsi untuk merubah sinyal gelombang elektromagnetik terbimbing (gelombang AC) dari antena menjadi gelombang listrik DC sekaligus menguatkannya. Energi Listrik DC keluaran yang telah dikuatkan tersebut diharapkan dapat dimanfaatkan untuk memenuhi kebutuhan energi listrik berdaya kecil, seperti charge baterai; atau menghidupkan lampu berdaya kecil.
1.2 Perumusan Masalah Adapun rumusan masalah dari Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Apa yang dimaksud dengan power harvester ? 2. Bagaimana merancang power harvester yang optimal dan menghasilkan tegangan
yang paling besar? 3. Apa saja parameter yang mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester ?
1.3. Tujuan Penulisan Penulisan Tugas Akhir ini bertujuan merancang bangun power harvester yang
digunakan untuk mengubah dan menguatkan sinyal gelombang elektromagnetik yang ditangkap dari ruang bebas dengan sebuah antena pada frekuensi TV Broadcasting dan diharapkan dapat dimanfaatkan untuk kebutuhan energi listrik berdaya kecil.
. 1.4 Batasan Masalah
Agar isi dan pembahasan Tugas Akhir ini menjadi terarah, maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Hanya membahas tentang power harvester.
3
2. Frekuensi yang dibahas yaitu frekuensi TV broadcasting (470 – 860 Mhz) 3. Parameter yang dibahas pada power harvester adalah tegangan yang berhasil diperoleh. 4. Penggunaan simulator Advanced Design System untuk menentukan jumlah stage dan
nilai kapasitor stage yang digunakan.
1.5 Metodologi Penelitian Metode penelitian yang digunakan adalah : a. Studi literatur dan bimbingan Dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan Tugas Akhir yang terdiri dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau dari perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, layanan internet, dan lain-lain. b. Simulasi Merancang rangkaian power harvester pada software Advanced Design System dan mensimulasikan hasil keluaran dan kapasitor mana yang menghasilkan hasil paling optimal. c. Perancangan power harvester Merancang power harvester pada software Proteus 7 Professional dan membangun power harvester tersebut pada PCB. d. Ujicoba dan analisa data Melakukan ujicoba secara umum terhadap antena dan power harvester yang telah dibangun dan mengukur parameternya dengan alat ukur yang ada. e. Kesimpulan Yaitu menarik kesimpulan dari analisa data yang telah dilakukan
4
1.6 Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut :
BAB I
PENDAHULUAN
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah,
tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika
penulisan.
BAB II
TEORI DASAR
Bab ini berisi penjelasan tentang antena dan power harvester secara umum.
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini berisi penjelasan tentang alat-alat yang digunakan, perancangan
rangkaian simulasi dan perancangan power harvester
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi tentang hasil simulasi rangkaian power harvester pada ADS
dan pengukuran pada lapangan.
BAB V
PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian yang telah
diperoleh.
BAB II DASAR TEORI
2.1 Gelombang Elektromagnetik Gelombang didefinisikan sebagai getaran atau gangguan yang merambat.
Elektromagnetik adalah gejala listrik yang diakibatkan oleh gerak mekanik magnet. Magnet adalah benda yang dapat menghasilkan gaya tarik atau gaya tolak terhadap benda lain (yang mungkin juga bersifat magnet) [1].
Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang mempunyai sifat listrik dan sifat magnet secara bersamaan. Gelombang radio merupakan bagian dari gelombang elektromagnetik pada spektrum frekuensi radio. Transmisi gelombang elektromagnetik di ruang adalah sebagai gelombang transversal. Gelombang elektromagnetik ditemukan oleh Heinrich Hertz [1].
Gelombang dikarakteristikkan oleh panjang gelombang dan frekuensi. Panjang gelombang (λ) memiliki hubungan dengan frekuensi (ƒ) dan kecepatan (ν) yang ditunjukkan pada Persamaan 2.1 [1].
(2.1) Dimana : λ = panjang gelombang (m) c = cepat rambat cahaya (m/s) ƒ = frekuensi (Hz)
5
6
Salah satu spektrum frekuensi gelombang elektromagnetik adalah gelombang radio. Pembagian spektrum frekuensi gelombang radio dapat ditunjukkan pada Tabel 2.1 [1].
Tabel 2.1 Spektrum Frekuensi Gelombang Radio
Nama Band Singkatan
Extremely Low Frequency
Super Low Frequency
Ultra Low Frequency
Very Low Frequency
Low Frequency
Medium Frequency
High Frequency
Very High Frequency
Ultra High Frequency
Super High Frequency
Extremely High Frequency
ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF
Band ITU
1
2
3
4 5 6 7 8
9
10
11
Frekuensi (f) 3-30 Hz
30-300 Hz 300 – 3000 Hz
Panjang Gelombang (λ)
100.000 km 10.000 km
10.000 km-1000 km
1000 km – 100 km
3 – 30 KHz
100 km – 10 km
30 – 300 KHz
10 km – 1 km
300 – 3000 KHz 1 km – 100 m
3 – 30 MHz
100 m – 10 m
30 – 300 MHz
10 m – 1 m
300 – 3000 MHz 3 – 30 GHz 30 – 300 GHz
1 m – 100 mm
100 mm – 10 mm
10 mm – 1 mm
7
2.2 Antena
Antena didefinisikan sebagai suatu perangkat logam (misalnya batang konduktor atau kawat) yang berfungsi meradiasikan atau menerima gelombang radio. Standar IEEE 145-1983 mendefinisikan antena atau aerial sebagai suatu alat yang berfungsi untuk meradiasikan dan menerima gelombang radio. Dengan kata lain antena adalah struktur pengalihan antara ruang bebas dan media pembimbing, seperti yang terlihat pada Gambar 2.1[2].
Sumber
Saluran Transmisi
Antena
Gelombang yang merambat di ruang
bebas
Gambar 2.1 Antena Sebagai Media Transmisi
Media pembimbing atau saluran transmisi dapat berbentuk suatu kabel coaxial atau pipa kosong/bumbung gelombang (waveguide), dan media pembimbing ini digunakan untuk membawa energi elektromagnetik dari sumber pancaran (transmitter) hingga sampai ke antena, atau dari antena hingga sampai ke perangkat penerima (receiver)[2].
2.2.1 Gain
Ada dua jenis penguatan (gain) pada antena, yaitu penguatan absolut (absolute gain) dan penguatan relatif (relative gain). Penguatan absolut pada sebuah antena didefenisikan
8
sebagai perbandingan antara intensitas pada arah tertentu dengan intensitas radiasi yang diperoleh jika daya yang diterima oleh antena teradiasi secara isotropic. Intensitas radiasi yang berhubungan dengan daya yang diradiasikan secara isotropic sama dengan daya yang diterima oleh antena (Pin) dibagi dengan 4π. Penguatan absolut dapat dihitung dengan [2]:
(2.2)
2.2.2 Bandwith
Bandwidth antena didefinisikan sebagai ”rentang frekuensi antena dengan beberapa karakteristik, sesuai dengan standar yang telah ditentukan”. Untuk Broadband antena, lebar bidang dinyatakan sebagai perbandingan frekuensi operasi atas (upper) dengan frekuensi bawah (lower). Sedangkan untuk Narrowband antena, maka lebar bidang antena dinyatakan sebagai persentase dari selisih frekuensi di atas frekuensi tengah dari lebar bidang[2].
Untuk persamaan bandwidth dalam persen (Bp) atau sebagai bandwidth rasio (Br) dinyatakan sebagai[3]:
Bp
=
fu − fc
fl
×100%
(2.3)
fc
=
fu + 2
fl
(2.4)
Br
=
fu fl
(2.5)
dengan : Bp = bandwidth dalam persen (%) Br = bandwidth rasio fu = jangkauan frekuensi atas (Hz) fl = jangkauan frekuensi bawah (Hz)
9
2.2.3 VSWR
VSWR adalah perbandingan antara amplitudo gelombang berdiri (standing wave) maksimum (|V|max) dengan minimum (|V|min). Pada saluran transmisi ada dua komponen gelombang tegangan, yaitu tegangan yang dikirimkan (V0+) dan tegangan yang direfleksikan (V0-). Pebandingan tegangan yang direfleksikan dengan yang dikirimkan disebut sebagai koefisien refleksi tegangan (Γ) [2] :
(2.6)
di mana ZL adalah impedansi beban (load) dan Z0 adalah impedansi saluran. Rumus untuk mendari VSWR adalah [2] :
VSWR =
(2.7)
Kondisi yang baik adalah ketika VSWR bernilai 1, yang berarti tidak ada refleksi ketika saluran dalam keadaan matching sempurna. Namun, kondisi ini kenyataannya sulit diperoleh. Oleh karena itu, nilai standar VSWR yang diijinkan dalam perancangan antena adalah ≤ 2.
10 2.2.4 Antena Array
Berbagai aplikasi memerlukan karakteristik radiasi yang tidak bisa didapatkan dari suatu element tunggal. Sehingga, sangat memungkinkan untuk mengumpulkan elemen-elemen radiasi tersebut untuk dapat disusun pada suatu susunan (array) elektris dan geometris tertentu sehingga menghasilkan karakteristik radiasi tertentu yang diinginkan.
Susunan dari array tersebut dapat menambah atau memberikan pancaran maksimum pada suatu arah tertentu, minimum pada arah lainnya, atau sebaliknya seperti yang diinginkan. Istilah array maksudnya adalah suatu susunan/konfigurasi tertentu dimana elemen pemancar secara individual terpisah pada jarak tertentu. Susunan Array dapat dilihat pada Gambar 2.2 [2].
Gambar 2.2 Antena Array Salah satu model dari antena array adalah antena Yagi-Uda. Yagi-Uda adalah antena yang beroperasi pada rentang frekuensi HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) dan UHF (3003000 MHz). Antena ini terdiri dari sejumlah elemen dipol linear, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3, dengan salah satu elemen diberikan energi secara langsung dari suatu saluran
11 transmisi dan elemen yang lainnya berfungsi sebagai elemen parasit dengan arus yang terinduksi melalui induktansi bersama[2].
Gambar 2.3 Antena Yagi-Uda Antena ini dirancang untuk dapat beroperasi secara khusus sebagai susunan end-fire array dengan cara meletakkan elemen parasit pada berkas depan sebagai pengarah (director) dan elemen yang tersisa lainnya sebagai reflektor. Yagi-Uda telah digunakan sebagai antena TV rumah[2].
2.3 Dioda Pada power harvester yang akan dirancang dapat digunakan beberapa jenis dioda yaitu
dioda Schottky Agilent HSMS-282x atau dioda germanium 1N34. Tipe dioda yang digunakan pada tugas akhir ini adalah dioda Schottky Agilent HSMS-2822 karena Agilent menyebutnya sebagai komponen yang paling bagus untuk aplikasi RF mixer atau rangkaian detektor.
12 Keluarga dioda Schottky Agilent HSMS-282x terbagi menjadi beberapa macam dibedakan dengan digit terakhirnya. Digit yang berbeda memiliki datasheet rangkaian yang berbeda pula. Contoh dioda yang sering digunakan HSMS-2820 dapat dilihat pada Gambar 2.4 (a), memiliki 3 pin dengan 2 pada sisi yang sama dan 1 pada sisi yang lain membentuk segitiga, pin ke-3 biasa tidak digunakan. Sedangkan pada Gambar 2.4 (b) dapat dilihat merupakan konfigurasi dari HSMS-2822 yang digunakan pada Tugas Akhir ini. Semua pin terhubung satu sama lain membentuk suatu segitiga. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat langsung pada datasheet rangkaian dioda Schottky Agilent-282x pada Lampiran 1 pada Tugas Akhir ini [4].
(a) (b) Gambar 2.4 (a) Agilent HSMS-2820 (b) Agilent HSMS-2822
2.4 Kapasitor Kondensator atau sering disebut sebagai kapasitor adalah sebuah komponen elektronika
pasif yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kondensator memiliki satuan yang disebut Farad dari nama Michael Faraday. Kondensator juga dikenal sebagai "kapasitor", namun kata "kondensator" masih dipakai hingga saat ini. Pertama disebut oleh Alexsandro Volta seorang
13 ilmuwan Italia pada tahun 1782 (dari bahasa Itali condensatore), berkenaan dengan kemampuan alat untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya [5].
Kondensator diidentikkan mempunyai dua kaki dan dua kutub yaitu positif dan negatif serta memiliki cairan elektrolit dan biasanya berbentuk tabung. Bentuk kondensator dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Kondensator Sedangkan jenis yang satunya lagi kebanyakan nilai kapasitasnya lebih rendah, tidak mempunyai kutub positif atau negatif pada kakinya, kebanyakan berbentuk bulat pipih berwarna coklat, merah, hijau dan lainnya seperti tablet atau kancing baju [5]. Bentuk kapasitor dapat dilihat pada Gambar 2.6.
14
Gambar 2.6 Kapasitor 2.5 Pelipat-ganda Tegangan (Voltage Multiplier)
Pelipat-ganda-tegangan adalah dua atau lebih penyearah puncak yang menghasilkan tegangan DC sama dengan perbanyakan puncak tegangan masuk (2Vp, 3Vp, 4Vp, dan seterusnya). Catu daya ini digunakan untuk alat-alat tegangan tinggi/arus rendah seperti CRT (tabung sinar katoda) TV, osiloskop, dan computer display. [4]
Gambar 2.7 Rangkaian Pelipat Dua Tegangan
15 Gambar 2.7 menggambarkan sebuah rangkaian 1-stage pelipat dua tegangan. Gelombang RF disearahkan pada D2 dan C2 pada setengah siklus positif dan pada D1 dan C1 pada siklus negatif. Tetapi, pada saat setengah siklus positif, tegangan yang disimpan pada kapasitor C1 pada setengah siklus negative di transfer ke C2 sehingga menyebabkan menjadi dua kali dari tegangan yang masuk. Inilah yang menyebabkan rangkaian ini disebut sebagai pelipat ganda tegangan (voltage doubler). Hal yang paling menarik dari rangkaian ini adalah kita dapat menggabungkannya secara seri seperti kita menggabungkan baterai secara seri untuk mendapat tegangan output yang lebih besar. Anggap digunakan baterai dengan tegangan Vo yang memiliki tahanan dalam Ro. Ketika dihubungkan secara seri pada sebanyak n buah dan dihubungkan pada beban RL, tegangan keluaran akan seperti Persamaan 2.8,
(2.8) Dari Persamaan 3.1, dapat dilihat bahwa Vo, Ro dan RL adalah sebuah nilai konstanta maka nilai tegangan output berbanding lurus dengan jumlah nilai n, dimana semakin besar n yang dihubungkan secara seri akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar [4].
2.6 Power Harvester Power harvester merupakan suatu alat yang digunakan untuk memanen kembali energi
yang berada pada alam ini dan mengubahnya menjadi energi listrik. Biasanya rangkaian pada power harvester ini terdiri dari rangkaian penyearah dan rangkaian pelipat ganda tegangan.
16 2.6.1 Jumlah Stage
Jumlah stage, yang ditunjukan pada Gambar 2.8 merupakan sistem yang paling berpengaruh pada tegangan keluaran. Kapasitansi pada stage dan ujung rangkaian mempengaruhi kecepatan dari respon transient dan kestabilan dari sinyal keluaran.
Gambar 2.8 2-stage Rangkaian Pelipat Dua Tegangan
2.6.2 Kapasitor Stage Kapasitor stage pada Gambar 2.9 merupakan parameter yang sulit untuk ditentukan.
Kadang hanya dengan mengganti nilai kapasitor stage sedikit saja dapat memberikan perubahan yang sangat drastis pada tegangan keluaran. Kapasitor stage ini merupakan parameter yang sangat sensitif karena jika ingin mengubahnya maka harus menyolder ulang seluruh kapasitor yang ada pada rangkaian.
17
2.6.3 Kapasitor Output
Gambar 2.9 Kapasitor Stage
Variabel yang paling sedikit memberikan efek pada sistem yang akan dirancang ini adalah kapasitor output yang ditunjukkan pada Gambar 2.10. Nilai dari kapasitor ini hanya mempengaruhi kecepatan dari respon transient. Semakin besar nilai kapasitor output yang digunakan, maka semakin lambat rise time tegangan. Jadi penggunaan kapasitor output yang semakin kecil adalah yang terbaik, atau kalau bisa tanpa menggunakan kapasitor. Tetapi jika tanpa kapasitor, output sinyal yang dihasilkan bukan berupa sinyal DC yang bagus melainkan sinyal AC offset, atau sinyal DC dengan ripple.
Gambar 2.10 Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan dengan Kapasitor Output
18 2.7 Voltage Gain
Secara umum untuk menggambarkan gain tegangan dari sebuah penguat dengan satuan sekian desibel, ini tidak benar-benar digunakan secara akurat untuk setiap unit. Hal ini boleh saja menggunakan desibel untuk membandingkan output dari sebuah penguat pada frekuensi yang berbeda, karena semua pengukuran daya output atau tegangan diambil dengan impedansi yang sama (beban penguat), tetapi saat menjelaskan gain tegangan (antara input dan output) dari sebuah penguat, input dan output tegangan sedang dikembangkan di seluruh impedansi sangat berbeda. Namun hal ini boleh diterima secara luas juga menjelaskan gain tegangan dalam desibel.
Adapun Persamaan 2.9 dibawah merupakan perbandingan rumus perbandingan tegangan dalam decibel dan pada Gambar 2.11 merupakan grafik perbandingan tegangan dengan level tegangan (dalam dB).
(2.9)
Gambar 2.11 Grafik Perbandingan Tegangan dengan Level Tegangan (dalam dB)
19
2.8 Advanced Design System (ADS) 2009
Advanced Design System atau biasa disebut ADS merupakan perangkat lunak yang paling terkemuka di dunia untuk bidang desain elektronik pada bidang RF, microwave, dan aplikasi digital berkecepatan tinggi. Karena interface nya yang kuat dan mudah digunakan, menyebabkan ADS menjadi teknologi yang paling inovatif dan sukses secara komersial.
Banyak perusahaan besar yang bergerak dalam bidang telekomunikasi dan jaringan menggunakan X-parameters dan 3D EM simulators yang ada pada software ini untuk simulasi WIMAX, LTE, multi-gigabit per second data links, radar, dan aplikasi satelit.
Adapun kemampuan atau keunggulan dari aplikasi ADS ini adalah sebagai berikut: 1. Kemampuan untuk langsung membuat S-Paramater model dari layout PCB Allegro. 2. Kemampuan untuk mencampur teknologi pemodelan dalam simulasi tunggal, misalnya
pada Touchstone, IBIS, dan HSPICE. 3. Library komponen yang khusus untuk pemodelan aplikasi frekuensi tinggi. 4. Kemampuan untuk dengan cepat menganalisa cirri kanal, dan dapat menjalan jutaan bit
data dalam hanya beberapa menit.
Adapun tampilan dari Advanced Design System 2009 terlihat pada Gambar 2.12 dan informasi lebih lanjut mengenai software Advanced Design System 2009 ini dapat dilihat pada Lampiran 2 pada Tugas Akhir ini.
20 Gambar 2.12 Tampilan Awal Advanced Design System 2009
BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1 Gambaran Umum Sistem Wireless power transfer (WPT) adalah transmisi energi listrik dari sumber listrik ke
beban listrik interkoneksi tanpa kabel. Wireless power transfer berbeda dengan transmisi informasi secara wireless. Pada transmisi informasi parameter penting yang digunakan adalah signal to noise ratio (SNR) menjadi parameter penting, pada wireless power transfer efisiensi menjadi parameter paling penting.
Wireless power transfer dibagi menjadi dua macam yaitu near field dan far field. Near field berarti transmisi energi listrik dilakukan dalam jarak yang relatif dekat yaitu sekitar beberapa meter saja. Sedangkan far field berarti transmisi energi dilakukan dalam jarak jauh dalam jarak beberapa kilometer. Contoh far field adalah electromagnetic harvesting atau radio frequency harvesting adalah pengambilan medan elektromagnetik untuk dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik. Sistem electromagnetic harvesting terdiri atas antena, rectifier, dan rangkaian penguat tegangan. Adapun skema alat ambient electromagnetic harvesting dapat dilihat pada Gambar 3.1 [6].
Gambar 3.1 Skema proses electromagnetic harvesting 21
22
3.2 Langkah Pengerjaan Rangkaian Power Harvester Pengerjaan power harvester dimulai dari perencanaan dan simulasi, proses perakitan
rangkaian, dan pengujian hasil rangkaian. Gambar 3.2 merupakan diagram alir dari perancangan sistem ini.
Mulai
Mengumpulkan teori dan komponen yang dibutuhkan
Perencanaan dan Simulasi rangkaian
Perakitan rangkaian power harvester sesuai hasil simulasi
Pengukuran rangkaian power harvester
Apakah hasil sudah sesuai dengan yang diharapkan?
Tidak
Ya
Pengujian lapangan, analisa data dan penarikan kesimpulan
Selesai
Gambar 3.2 Diagram Alir Perancangan Power Harvester
23
3.3 Perangkat yang Digunakan
Perancangan alat power harvester ini menggunakan beberapa perangkat lunak untuk membantu penulis dalam mengetahui karakteristik dari power harverster dan perancangan rangkaian power harvester tersebut. Adapun perangkat lunak yang digunakan adalah Advanced Design System 2009, perangkat ini digunakan untuk mensimulasikan rangkaian yang akan dibuat, dan Proteus ARES 7 Professional digunakan untuk merancang rangkaian yang akan dibuat. Peralatan keras yang digunakan adalah sebagai berikut:
1. Laptop Acer Aspire 4738G. 2. Meteran dan penggaris. 3. Spidol. 4. Pisau cutter. 5. Tang jepit dan tang potong. 6. Gerinda. 7. Bor tangan. 8. Timah solder. 9. Papan PCB polos. 10. Larutan Ferit Klorida. 11. Solder dan penghisap timah. 12. Multimeter digital 13. Kapasitor 14. Dioda HSMS-2822-TR1G 15. Kabel listrik 16. Konektor antena 17. Antena komersil Bentz Digital TV Antena BZ-238 18. Kabel antena RG6U merek KAON premium
24 3.4 Simulasi
Pada Tugas Akhir ini, akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester untuk mendapatkan kapasitor manakah yang dapat menghasilkan keluaran tegangan yang paling maksimal.
3.4.1 Jenis Simulator yang Digunakan Pada software ADS ini terdapat banyak sekali parameter parameter simulasinya. Untuk
simulator Analog/RF terbagi menjadi: circuit simulators, AC simulation, DC simulation, Sparameter simulation, harmonic balance simulation, gain compression simulation, channel simulation, dan lain-lain. Pemilihan simulator tersebut sangat penting dimana itu yang menunjukkan tampilan hasil output yang akan di simulasi.
Pada Tugas Akhir ini simulator pada ADS yang akan digunakan adalah AC Simulation, dimana komponen simulasi AC menunjukkan analisis AC untuk sinyal kecil dan linear. Simulasi AC ini memungkinkan kamu untuk mendapat parameter transfer sinyal kecil seperti: voltage gain, current gain, transimpedance, transadmittance dan linear noise. Berikut pada Gambar 3.3 merupakan tampilan pemilihan simulator AC yang digunakan.
Gambar 3.3 Tampilan Pemilihan Simulator AC pada software ADS
25 3.4.2 Perancangan Rangkaian Simulasi
Setelah menentukan jenis simulator yang digunakan, berikutnya adalah merancang langsung rangkaian yang akan dibuat pada software ADS ini. Perancangan rangkaian ini dimulai dengan mengambil komponen dioda Schottky Agilent HSMS-2882 yang ada pada library ADS ini kemudian disusun secara bertahap dengan kapasitor membentuk rangkaian pelipat ganda tegangan. Jumlah stage yang akan dirancang yaitu 5 stage, 10 stage, 15 stage, 20 stage, dan 10 stage paralel yang selanjutnya akan dibahas pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini.
Berikut pada Gambar 3.4 merupakan hasil rancangan rangkaian power harvester 20 stage yang akan disimulasikan dengan AC simulation pada software ADS ini.
Gambar 3.4 Rangkaian Power Harvester 20-stage
3.5 Perancangan Power Harvester Pada perancangan power harvester dilakukan terlebih dahulu simulasi pada software
ADS kemudian merancang PCB nya dengan menggunakan software ARES Proteus 7
26 Professional. Hasil simulasi menunjukkan bahwa semakin bertambah stage yang digunakan maka tegangan keluaran akan semakin besar, Untuk hasil simulasi selengkapnya akan dijelaskan pada Bab 4 pada Tugas Akhir ini. Berikut pada Gambar 3.5 merupakan tampilan perancangan rangkaian power harvester 20-stage pada software Proteus ARES 7 Professional.
Gambar 3.5 Perancangan papan PCB Power Harvester Pada Gambar 3.6 dan Gambar 3.7 merupakan tampilan hasil rancangan power harvester yang dirancang untuk sistem ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini.
Gambar 3.6 Power Harvester 20-stage (atas)
27 Gambar 3.7 Power Harvester 20-stage (bawah)
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Umum Pada Bab ini akan dibahas hasil simulasi sistem ambient electromagnetic harvester
dengan simulator Advanced Design System (atau biasa disebut ADS) untuk mendapatkan hasil keluaran power harvester yang paling optimal dengan mengubah 3 parameter penting pada sebuah power harvester yaitu: jumlah stage, kapasitor stage dan kapasitor output. Kemudian merancang power harvester tersebut dan dilakukan ujicoba langsung dengan menghubungkannya pada antena yagi komersil yang digunakan pada rumah untuk mendapatkan hasil/data keluaran di lapangan. Pengukuran di lapangan dilakukan di dua tempat yaitu pada daerah perkotaan pada Laboratorium Sistem Komunikasi Radio Universitas Sumatera Utara dan pada daerah pemancar TV di Bandar Baru Sibolangit.
4.2 Hasil Simulasi Pada bagian ini akan dibahas hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage,
10-stage, 15-stage, 20-stage, dan 10-stage paralel.
4.2.1 Simulasi Rangkaian Power Harvester 5-stage Pada software ADS, pertama-tama dirancang rangkaian power harvester 5 stage
seperti Gambar 4.1. Kemudian dilakukan tuning untuk mengatur nilai kapasitor yang akan digunakan.
28
29
Gambar 4.1 Rangkaian Power Harvester 5-stage Pada Gambar 4.2 menunjukkan proses tuning kapasitor stage dan kapasitor output.
Gambar 4.2 Tuning Kapasitor Stage dan Kapasitor Output
Berikut pada Gambar 4.3 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.
30
Gambar 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage dengan Kapasitor 1nF
Hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage ini selengkapnya dapat dilihat pada
Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Hasil Simulasi Power Harvester 5-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-85.449
-85.337
-85.178
-105.183
-105.067
-104.903
-118.601
-118.485
-118.321
-125.156
-125.04
-124.875
-145.153
-145.037
-144.873
-165.153
-165.037
-164.872
-178.595
-178.479
178.314
-185.153
-185.037
-184.872
31 4.2.2 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage
Setelah dilakukan simulasi rangkaian power harvester 5-stage, berikutnya akan dilakukan simulasi rangkaian power harvester 10-stage untuk melihat hasil keluarannya dibandingkan dengan rangkaian power harvester 5-stage. Rangkaian power harvester 10stage pada software ADS akan ditunjukkan pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Rangkaian Power Harvester 10-stage Berikut pada Gambar 4.5 merupakan hasil tuning dengan kapasitor 1 nF.
Gambar 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage dengan kapasitor 1nF
32
Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage selengkapnya akan ditunjukkan pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-74.181
-74.079
-73.933
-93.224
-93.110
-92.947
-106.578
-106.462
-106.298
-113.123
-113.007
-112.843
-133.113
-132.997
-132.832
-153.112
-152.996
-152.831
-166.554
-166.438
-166.273
-171.754
-171.638
-171.474
4.2.3 Simulasi Rangkaian Power Harvester 15-stage Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage dan 10 stage, dapat
dilihat tegangan output yang dihasilkan semakin besar. Untuk memastikan kesimpulan tersebut maka dilakukan simulasi rangkaian power harvester 15-stage yang dapat ditunjukkan pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Rangkaian Power Harvester 15-stage
33
Hasil simulasi rangkaian power harvester 15-stage selengkapnya akan ditunjukkan
pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Hasil Simulasi Power Harvester 15-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-68.280
-68.191
-68.064
-86.314
-86.202
-86.042
-99.563
-99.448
-99.284
-106.093
-105.977
-105.813
-126.070
-125.955
-125.790
-146.068
-145.952
-145.788
-159.510
-159.394
-159.229
-166.068
-165.952
-165.787
4.2.4 Simulasi Rangkaian Power Harvester 20-stage Berdasarkan hasil simulasi rangkaian power harvester 5-stage, 10-stage, dan 15-stage
diatas, dapat dilihat jumlah stage yang makin banyak akan menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar, maka diambil keputusan untuk merancang power harvester 20-stage untuk Tugas Akhir ini. Sebelum perancangan terlebih dahulu disimulasikan rangkaian power harvester 20-stage yang ditunjukkan pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7 Rangkaian Power Harvester 20-stage
34
Hasil simulasi rangkaian power harvester 20-stage selengkapnya akan ditunjukkan
pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4 Hasil Simulasi Power Harvester 20-stage
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-64.669
-64.593
-64.485
-81.500
-81.390
-81.233
-94.605
-94.491
-94.328
-101.114
-100.999
-100.835
-121.075
-120.959
-120.794
-141.071
-140.955
-140.790
-154.512
-154.397
-154.232
-161.076
-160.955
-160.790
4.2.5 Simulasi Rangkaian Power Harvester 10-stage Paralel Simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel bertujuan untuk mendapat arus
yang lebih besar dengan memparalelkan 2 buah rangkaian voltage doubler. Hasil perancangan rangkaiannya pada software ADS dapat dilihat pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8 Rangkaian Power Harvester 10-stage paralel
35
Ternyata dengan memparalelkan dua buah rangkaian power harvester 10-stage tidak mempengaruhi tegangan keluaran yang dihasilkan. Hasil keluaran tegangan pada rangkaian paralel ini sama persis dengan rangkaian power harvester 10-stage tunggal. Ini sesuai dengan prinsip rangkaian listrik dimana pada setiap rangkaian paralel yang dihubungkan dengan sumber yang sama akan memiliki tegangan yang sama, dan arus pada rangkaian paralel akan semakin besar daripada rangkaian yang terhubung secara seri.
Hasil simulasi rangkaian power harvester 10-stage paralel selengkapnya akan
ditunjukkan pada Tabel 4.5.
Tabel 4.5 Hasil Simulasi Power Harvester 10-stage paralel
Kapasitor stage
1 nF 10 nF 47 nF 100 nF 1 uF 10 uF 47uF 100 uF
Gain Tegangan Output (dB)
F= 400Mhz F = 600Mhz F = 800Mhz
-74.181
-74.079
-73.933
-93.224
-93.110
-92.947
-106.578
-106.462
-106.298
-113.123
-113.007
-112.843
-133.113
-132.997
-132.832
-153.112
-152.996
-152.831
-166.554
-166.438
-166.273
-171.754
-171.638
-171.474
4.3 Analisa Hasil Simulasi Dari hasil simulasi 5 buah rangkaian power harvester yang dilakukan dapat diambil
kesimpulan bahwa jumlah stage bersifat linear dimana semakin banyak stage rangkaian voltage doubler akan menghasilkan tegangan yang makin besar. Kenaikan nilai kapasitor stage yang digunakan menyebabkan tegangan keluaran semakin buruk, dan parameter
36 terakhir yaitu kapasitor output dilakukan simulasi dengan menggunakan kapasitor elco 10 uF, 100 uF, dan 1000 uF. Hasil menunjukkan kapasitor output tidak mempengaruhi tegangan keluaran dari power harvester yang akan dirancang. Pada Gambar 4.9 dapat dilihat hasil simulasi power harvester yang dirancang dalam bentuk grafik.
Grafik Lv VS Jumlah Stage Jumlah Stage
Lv (dB)
Gambar 4.9 Grafik hasil simulasi pada ADS
Maka, untuk keputusan akhir pada perancangan power harvester untuk sistem ambient electromagnetic harvesting pada Tugas Akhir ini adalah membuat rangkaian power harvester 20-stage dengan kapasitor stage 1 nF, dan kapasitor output 100 uF.
37 4.4 Hasil Pengujian Sistem Ambient Electromagnetic Harvester
Setelah dirancang alat power harvester tersebut maka akan dilakukan uji coba ambient