Untuk membuat lampu dengan LED yang perlu diperhitungkan

MEMBUAT LAMPU 220V DENGAN LED
Untuk membuat lampu dengan LED yang perlu diperhitungkan adalah tegangan DC yang akan diberikan
kepada LED, tidak boleh melampaui tegangan majunya.
Jika tegangan sumber cukup tinggi, yang paling efisien adalah merangkai LED dalam susunan seri sebisa
mungkin, sehingga dengan demikian akan didapatkan angka pemberian tegangan yang tinggi pula.
Dalam contoh yang dibuat di sini digunakan 6 buah LED yang dirangkai secara seri. Skema rangkaiannya
adalah sebagai berikut :
Daftar komponen rangkaian 6 LED 220V :
C1 = 563/400V
D1...D4 = 1N4007
Dz1, Dz2 = Dioda zener 10V/400mW
LED1...LED6 = LED putih 3V.
Untuk skema rangkaian ini, digunakan LED 3V kecil. Suplai tegangan rendah untuk LED didapatkan
setelah tegangan AC tinggi diturunkan terlebih dahulu.
Penurunan tegangan AC tinggi menjadi rendah tidak dilakukan melalui pembatasan oleh resistor, tetapi
dengan menggunakan kondensator mika/milar 56nF/400V. Sifat kondensator terhadap frekwensi adalah
khas, dalam kapasitas kecil pada frekwensi rendah ia akan menjadi penghambat yang besar sebagaimana
layaknya sebuah resistor. Keuntungan penggunaan kondensator dibandingkan dengan resistor dalam
fungsi ini adalah rendahnya panas yang dihasilkan sehingga meminimalisir kerugian energi yang
terbuang.
Setelah levelnya dibatasi/diturunkan, tegangan AC kemudian disearahkan agar menjadi DC oleh
penyearahan gelombang penuh D1...D4. Hasil penyearahan berupa tegangan DC yang kemudian langsung
diberi limit pada level 20V oleh Dz1 dan Dz2.
Demikianlah tegangan DC untuk menyuplai rangkaian seri LED didapatkan. Adapun dioda zener
dipasang juga untuk mengamankan tegangan lebih yang mungkin timbul yang dapat merusakkan LED.
Digunakannya dua dioda zener 10V/400mW adalah untuk mendapatkan karakteristik dioda zener
20V/800mW.
Apabila dioda zener sedang tidak menarik arus dan arus yang ditarik hanyalah oleh rangkaian LED, maka
konsumsi daya akan ada sebesar 4,4W. Ini dengan asumsi bahwa setelah lampu dinyalakan LED akan
menarik arus sebesar 20mA.
Sebenarnya jumlah LED bisa saja diperbanyak asalkan pemberian tegangannya tepat, maka nilai-nilai
komponennya pun harus dirubah. Untuk jumlah LED sebanyak 12 buah, dapat diparalel dua susunan seri
6 LED. Gambar rangkaiannya adalah sebagai berikut :
Daftar komponen rangkaian 12 LED 220V :
C1 = 104/400V
D1...D4 = 1N4007
Dz1, Dz2 = Dioda zener 10V/400mW
LED1...LED12 = LED putih 3V.
Contoh lain misalnya lampu baca membutuhkan sekitar 40 buah LED. Rangkaian LED terdiri dari N buah
LED dalam seri. Dan untaian seri dipararel M kali. Rangkaian selengkapnya dapat dilihat pada gambar
Mengenai tata-letak LED dan casing rangkaian dalam pembuatan lampu tidak dibahas di sini, itu
diserahkan kepada kreatifitas masing-masing orang. Gambar yang diperlihatkan di awal tulisan di atas
hanyalah gambar ketika dilakukan percobaan terhadap rangkaian ini.
Sebagai bagian akhir perlu diingat bahwa semua bagian di dalam rangkaian adalah “live-area”, jangan
sampai menyentuhnya karena akan menyebabkan terjadinya sengatan listrik.
SUSUNAN LED SERI DAN SUSUNAN LED PARALEL
Led seri
Led bisa disusun secara seri dan bisa pula disusun secara paralel. Dua Led yang disusun secara seri akan
membutuhkan tegangan dua kali lebih besar. Jika ada tiga Led yang disusun seri maka tegangan yang
dibutuhkannya akan menjadi tiga kali lebih besar, dan seterusnya.
Pada gambar (A) tampak Led yang disusun secara seri. Misalnya jika satu Led membutuhkan tegangan
3,1V (untuk Led topi/payung), maka untuk dua Led yang disusun seperti itu Vs perlu sebesar 6,2V.
Karena itu Led yang disusun seri seperti pada gambar (A) bisa langsung diterapkan pada Vs yang
bertegangan 6V, misalnya dari baterai atau accu 6V tanpa memerlukan resistor lagi.
Apabila Vs bertegangan 12V (misalnya dari aki/accu motor atau mobil) maka diperlukan resistor R
seperti tampak pada gambar (B).
Nilai R itu akan ada sebesar :
R = (Vs – VLed) / ILed
Di sini VLed adalah penjumlahan tegangan dua Led, sedangkan ILed adalah arus yang ditarik oleh Led.
Karena Led disusun secara seri, maka arus yang melalui Led pertama adalah arus yang melalui Led kedua
juga, sehingga di sini arus Led adalah tetap untuk perhitungan satu Led, yaitu 20mA (tidak menjadi dua
kali lipat). Sekalipun (misalnya) ada seratus Led yang disusun secara seri, arusnya tetap saja 20mA, hanya
tegangannya saja yang menjadi perlu lebih besar sesuai dengan banyaknya Led yang disusun.
Contoh : Tiga buah Led topi/payung disusun secara seri dengan Vs sebesar 12V, berapakah R yang harus
dipasang?
Di sini VLed adalah 3 x 3,1V = 9,3V. ILed adalah 20mA = 0,02A. Maka R yang diperlukan adalah :
R = (12 – 9,3) / 0,02 = 135 Ohm.
Menyusun Led secara seri memerlukan tegangan minimal sebesar jumlah tegangan dari banyaknya Led
yang disusun. Kelebihan dari penyusunan secara seri adalah lebih kecilnya bilangan daya yang
dikonsumsi oleh Led dikarenakan arus yang ditariknya tidaklah berdasarkan penjumlahan banyaknya led.
Sebagai contoh dari perhitungan tiga Led seri sebagaimana dipaparkan di atas, konsumsi dayanya adalah :
W = V x I = 12 x 0,02 = 0,24 Watt.
Namun perlu diperhatikan bahwa dengan menyambungkan secara seri Led-Led, ada kemungkinan terjadi
ketidak sinkronan kerja di antara Led-Led.
Semua Led yang terlibat dalam sambungan seri haruslah mempunyai karakteristik yang benar-benar
sama, tidak boleh ada yang berbeda. Jika dalam satu barisan seri ada Led yang berbeda karakteristik
(misalnya ada perbedaan jenis atau perbedaan tegangan majunya karena berlainan pabrik/merk atau
manufaktur) maka tegangan yang terbagi kepada setiap Led akan berlain-lainan pula. Ini bisa
menyebabkan terjadinya pelimpahan tegangan yang berlebihan kepada salah satu Led, dan jika Led
tersebut tidak mampu bertahan maka ia akan segera rusak. Dalam susunan seri, jika ada satu Led yang
mati karena rusak, maka semua Led lainnya di dalam satu barisan seri tersebut akan ikut tidak menyala..!
Led Paralel
Led yang disusun secara paralel tidaklah membutuhkan tegangan berkali lipat sebagaimana banyaknya
Led. Jika satu Led (misalnya) membutuhkan tegangan 3,1V, maka sepuluh Led tetap hanya membutuhkan
tegangan 3,1V. Sekalipun (misalnya) ada seratus Led disusun secara Paralel, tegangan yang dibutuhkan
tetap saja 3,1V. Namun arus yang dikonsumsinya akan menjadi berkali lipat sebagaimana banyaknya
Led. Perhatikan gambar (C) dan (D) di atas.
Pada gambar (C) tampak sebuah Led yang disambungkan kepada sumber tegangan Vs. Led ini akan
menarik arus sebesar 20mA.
Pada gambar (D) tiga buah Led disusun secara paralel, maka arus yang dikonsumsi oleh ketiga Led secara
keseluruhan adalah 3 x 20mA = 60mA.
Led yang disusun secara paralel seperti pada gambar (C) dan (D) hanya dimungkinkan jika Vs
bertegangan sebagaimana tegangan kerja (tegangan maju) Led, seperti misalnya dari sebuah baterai HP
(Hand Phone) yang hanya bertegangan 3,7V. Apabila Led hendak dihubungkan dengan tegangan yang
lebih tinggi, maka setiap Led Harus diseri dengan resistor R sebagaimana pada gambar (E).
Mengenai perhitungan nilai R untuk setiap Led telah dibahas pada ulasan sebelumnya, jadi, tidak perlu
dibahas ulang di sini.
Berbeda dengan penyusunan Led secara seri, pada penyusunan Led secara paralel seperti ini arus yang
dikonsumsi menjadi tiga kali lipat (sesuai banyaknya Led) padahal tegangannya adalah sama.
Bandingkanlah antara tiga Led yang disusun secara seri dengan tiga Led yang disusun secara paralel
dengan sumber tegangan Vs sebesar 12V.
Pada bagian sebelumnya telah diketahui bahwa tiga Led yang disusun secara seri dengan Vs 12V akan
mengkonsumsi daya sebesar 0,24W. Ketika disusun secara paralel Led-Led ini akan mengkonsumsi daya
sebesar : 12 x 0,6 = 0,72W…
Berbeda?
Selain penyusunan sebagaimana diperlihatkan pada gambar di atas, ada cara lain untuk penyusunan LedLed secara paralel. Perhatikan gambar berikut :
Tiga Led disusun secara paralel dengan langsung, lalu ketiga Led itu disambungkan kepada sumber
tegangan Vs melalui sebuah resistor (gambar (F)). Ini berarti ketiga Led (yang disusun secara paralel) diseri dengan resistor R1. Dengan penyusunan seperti ini arus yang melalui resistor adalah jumlah besaran
arus dari ketiga Led. Jika satu Led menarik arus 20mA, maka arus yang melalui resistor adalah 3 x 20mA
= 60mA.
Contoh : Dengan susunan seperti gambar di atas, tiga Led standard hendak dihubungkan dengan Vs 12V,
berapakah nilai R1 yang harus dipasang?
IR1 = 60mA = 0,06A
R1 = (Vs – VLed) / 0,06 = 138 Ohm.
Perlu diketahui bahwa dengan susunan paralel yang seperti ini ketiga Led sebaiknya mempunyai
karakteristik yang benar-benar sama. Jika tidak, tegangan yang terlimpahkan kepada Led-Led bisa
melenceng dari yang diperhitungkan dan bisa saja mengakibatkan kerusakan pada sebagian Led.
Gabungan seri dan parallel
Led yang banyak yang hendak dinyalakan sebagai lampu penerangan bisa disusun dengan
menggabungkan sambungan seri dan paralel seperti diperlihatkan pada gambar (G) di atas.
Pada gambar (G) tampak bahwa setiap barisan seri terdiri dari sebuah resistor dan tiga buah Led,
semuanya ada 6 barisan. Berarti susunan secara keseluruhan adalah susunan seri R dengan 3 Led seri
yang diparalel sebanyak 6 baris.
Demikianlah, uraian selengkapnya tentang perhitungan resistor untuk Led. Mudah-mudahan apa yang
dikemukakan dapat dimengerti dengan baik dan bagi yang telah mengikutinya secara seksama dapat pula
untuk mempraktekkannya. Karena itu tidak ada salahnya sekedar latihan untuk mencoba menjawab
pertanyaan berikut :
Pada gambar di atas tampak 18 Led yang disusun secara seri dan paralel.
Bisakah dihitung berapakah nilai masing-masing resistornya?
Bisakah diketahui seberapa besar daya yang dikonsumsi oleh Led-Led sebanyak itu?
PERHITUNGAN-PERHITUNGAN
Perhitungan Daya Lampu LED:
a. Mencari Beban Kerja Lampu Led :
R = (Vs-Vd) / I
dimana,
R = Resistor
I = Arus LED
Vs = Tegangan sumber
Vd = Tegangan kerja LED
Misal : Jumlah lampu LED = 25 pcs, Arus maks. LED = 20 mA, Tegangan sumber (listrik dari PLN) 220 Volt
dan Tegangan kerja maksimal LED = 3,7 Volt, maka :
R = ( 220V – ( 3,7 V x 25 pcs ) / 0.02 A
R = ( 220V – 92,5V ) / 0.02 A
R = 127.5 V / 0,02 A
R = 6375 ohm
b. Mencari Besarnya Arus Total Lampu Led :
Id = (Vs-Vd) / R
dimana,
Id = Arus Lampu Led
Vs = Tegangan Sumber
Vd = Tegangan kerja LED
R = Beban total LED
Misal : Jumlah lampu LED = 25 pcs, Arus maks. LED = 20 mA, Tegangan sumber (listrik dari PLN) 220 Volt,
Tegangan kerja maksimal LED = 3,7 Volt dan Beban total LED = 6375 Ohm, maka :
Id = ( 220 V - 92,5 V ) / 6375 ohm
Id = 127,5 V / 6375 ohm
Id = 0.02 A
c.
Mencari Besarnya Daya Lampu LED :
Pd = Id x Vd
dimana,
Pd = Besarnya daya lampu led
Id = Arus Lampu Led
Vd = Tegangan kerja yang dibutuhkan lampu led
Misal : Jumlah lampu LED = 25 pcs, Arus lampu LED = 20 mA, Tegangan kerja maksimal LED = 3,7 Volt
Pd = 0,02 A x 92,5 V
Pd = 1,85 Watt
Perhitungan Untuk Menentukan C1 dan C2 :
a. Menentukan C1
Untuk menyederhanakan masalah hambatan dinamik LED //impedansi kapasitor C2 diabaikan karena
nilainya kecil dibandingkan dengan impedansi C1. Jadi LED // C2 merupakan hubung singkat bagi
C1. Dengan demikian yang menentukan besarnya arus adalah C1.
Perhatikan kapasitor C1 mengisi muatan "charge" pada selang tegangan sumber minimum sampai
maksimum. Arus kapasitor C1 berbalik arah (buang muatan "discharge") pada selang tegangan
maksimum sampai minimum. Sekalipun arus pada kapasitor C1 bolak-balik, tetapi arus pada LED
akan searah karena, disearahkan oleh jembatan dioda D1 - D4.
Menarik untuk diperhatikan arus pada kapasitor tidak selamanya mengalir tetapi ada selang dimana
arus berhenti mengalir. Ketika tegangan sumber maksimum tegangan kapasitor C1 adalah : +Vm - vf.
Setelah itu arus kapasitor terhenti sejenak sampai tegangan sumber lebih rendah sebesar Vf dibanding
tegangan kapasitor, karena untuk mengalirkan arus perlu melawan tegangan maju Vf LED. Jadi
ambang menghantar adalah :
ambang menghantar = tegangan kapasitor - Tegangan maju LED = (+Vm - Vf) - Vf = +Vm - 2.Vf.
Jadi arus mulai mengalir kembali setelah tegangan maksimum turun sebesar 2.Vf.
Arus rata-rata dapat kita hitung pada selang tegangan sumber minimum sampai tegangan sumber
maksimum. Karena adanya tegangan maju Vf, maka pada LED saat tegangan sumber minimum
tegangan C1 akan sebesar -Vm + Vf. Sedangkan pada saat tegangan sumber maksimum tegangan
kapasitor +Vm - Vf. Selang waktu antara tegangan sumber minimum sampai tegangan sumber
maksimum adalah 1/2 periode, atau 1/2.T. Arus rata-rata akan sebesar :
Dimana:
Q = Muatan Listrik (Coloumb); V = Tegangan Kapasitor (Volt)
Vm = Tegangan Puncak sumber (Volt); Vf = Tegangan maju total LED (Volt)
t = waktu (detik); T = Periode getaran listrik sumber (detik)
C = Kapasitas (Farad)
Kita ketahui terdapat hubungan antara tegangan puncak Vm dan tegagan efektif Vs dan antara
periode T dan frekwensi sebagai berikut:
Vm = √2.Vs
T = 1/f
dimana :
Vs = tegangan efektif sumber (Volt)
f = frekwensi sumber
sekarang rumus diatas dapat ditulis :
i = 4.f.C.(√2.- Vf)
C = i/{4.f.(√2.Vs - Vf)}
Contoh:
Carilah C1 yang diperlukan untuk 8 LED "ultra bright" 3.1 volt dan tegangan efektif sumber 220 volt,
frekwensi 50 Hz. Arus pada LED 10 mA dan Dioda 2 pcs @ 0,7 Volt.
jawab:
Tegangan maju (Vf) akibat 8 LED a 3.1 Volt dan 2 dioda @ 0.7 Volt adalah :
Vf = 8x3.1 + 2x0.7 = 26.2 Volt
sekarang C1 dapat dihitung :
C = 0.010/{4x50(1.41x220 - 26.2)}
C = 0.010/{200x284}
C = 176x10-9 = 176 nF
gunakan C1 = 180 nF.
b. Menentukan C2
Tegangan maju LED tidak boleh lebih besar Vm karena arus selamanya tidak akan mengalir. Bila
tegangan maju LED mendekati Vm maka arus mengalir akan terlalu kecil. Karena itu kami memberi
batas logis sebesar 2/3 Vm sebagai batas maksimum dari tegangan maju LED. Berikut ini adalah
osilogram arus LED pada tegangan maju 2/3 Vm
Seadainya C2 dihilangkan arus akan seperti mengalir berbentuk pulsa-pulsa yaitu arus pada kapasitor
C1 yang disearahkan. Dengan adanya kapasitor penyaring C2 arus yang mengalir akan diratakan
asalkan kapasitas C2 cukup besar.
Seberapa besar C2 yang diperlukan? Kapasitor yang diperlukan akan dinyatakan dengan bilangan
f.R.C. Semakin besar bilangan f.R.C akan semakin baik, arus LED akan semakin rata. Menurut
simulasi komputer f.R.C = 1 sudah memadai. Bila bilangan f.R.C terlalu kecil arus pada LED
berkerut. Jadi kita dapat menghitung kapasitor filter C2 melalui rumus berikut :
f.R.C = 1
C = 1/(f.R)
f = frekwensi (Hertz)
R = hambatan dinamik Led (ohm)
C = kapasitas penyaring
Contoh :
Carilah C2 yang diperlukan agar arus pada LED rata. LED 8 dan hambatan dinamik LED r = 50 Ω,
Frekwensi 50 Hz
Jawab :
Hambatan dinamik total dari LED r = 8x50 = 400 Ω
C = 1/(f.R) = 1/(50x400)
C = 50.10-6 = 50 µF
gunakan C2 = 47 µF atau lebih besar