Analisis Pengaruh Penyetelan Frekuensi, Kapasitansi Primer Dan

Analisis Pengaruh Penyetelan Frekuensi, Kapasitansi Primer Dan Lebar
Celah Udara Terhadap Operasi Kerja Kumparan Tesla 9 kV
Lazuardi Imami Abduh 1, Prof.Dr.Ir.Iwa Garniwa M.K,M.T 2
Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia, Depok 16424
Tel: (021) 78888805. Fax: (021) 78885656
Email: 1 [email protected],2 [email protected]
Abstrak
Transmisi kabel yang digunakan saat ini telah mengalami perkembangan yang sangat pesat. Akan tetapi
perkembangan tersebut menyebabkan sistem transmisi kabel memiliki banyak kendala dan permasalahan di masa
mendatang. Transmisi nirkabel yang menggunakan gelombang elektromagnetik untuk melakukan transfer energi
mampu menjawab permasalahan-permasalahan sistem transmisi kabel tersebut. Salah satu jenis transmisi energi
nirkabel sederhana adalah kumparan tesla yang mampu menghasilkan energi yang berlipat ganda. Berdasarkan
kemampuannya untuk mengatasi permasalahan transmisi kabel tersebut sehingga dibutuhkan suatu penelitian dan
pemahaman terhadap operasi kerja kumparan tesla melalui perubahan parameter-parameter khususnya penyetelan
frekuensi, perubahan kapasitansi primer dan lebar celah udara demi memahami sistem transmisi masa depan.
Analysis of Frequency Tuning, Primary Capacitance and Spark Gap Length
Effects to 9 kV Tesla Coil Operation
Abstract
Wire power transmission which we are using today is growing rapidly. However, the system development
has shown us that wire transmission systems will have many constraints and problems in the future. Wireless power
transmission which uses electromagnetic waves to transfer energy, can provides the solutions to these wire
transmission problems. One simple type of wireless energy transmission is a Tesla Coil that can transmit power with
high frequency and overunity gain. Based on its ability to overcome the wire transmission problems, makes it urgent
for further research about its characteristics and parameters effect especially frequency tuning, primary capacitance
and spark gap length to the Tesla Coil operation to give us an understanding about our future transmission system.
.
Keywords: Wireless Transmission, Tesla Coil, Frequency Tuning, Primary Capacitance, Spark
Gap.
Pendahuluan
Dewasa ini, sistem transmisi kabel yang digunakan telah mengalami banyak
perkembangan yang cukup pesat dan selaras dengan perkembangan sistem tenaga listrik di
Indonesia. Transmisi menggunakan media kabel, saat ini mengalami proses perkembangan dari
segi pemakaian dan juga penggunaan media hantarnya yang semakin efisien. Akan tetapi,
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
semakin maju perkembangan zaman dan penggunaannya, transfer energi menggunakan media
kabel ini mulai menemui beberapa kendala, antara lain :
1. Rugi-rugi daya yang cukup besar yang muncul saat proses penghantaran
2. Tegangan jatuh yang dihasilkan saat proses transmisi
3. Banyaknya gangguan-gangguan kabel dan kawat yang ditemukan
4. Kerumitan penggunaan transmisi kabel yang semakin banyak dan kompleks
5. Pembebasan dan perusakan lahan yang semakin banyak akibat pembangunan menaramenara transmisi
Kendala-kendala transmisi kabel yang sudah dipaparkan ini dapat diatasi salah satunya adalah
dengan penggunaan transmisi daya nirkabel dengan menggunakan gelombang elektromagnetik
seperti kumparan tesla. Kumparan tesla merupakan suatu rangkaian yang dapat menghasilkan
tegangan yang tinggi, arus yang rendah dan frekuensi yang tinggi agar mampu melakukan proses
transfer energi dari suatu pemancar yang disebut bagian primer menuju suatu penerima yang
disebut dengan bagian sekunder. Kumparan tesla ini mampu menghasilkan impuls “longitudinal”
dan dapat mentransmisikan daya dan informasi yang dapat menembus bahan-bahan padatan
logam (kandang Faraday), yang melalui jarak yang cukup panjang tanpa adanya penurunan
intensitas dan mampu menghasilkan gain energi yang “overunity”.
Sifat-sifat yang dimiliki kumparan tesla tersebut seakan mampu menjawab kendala-kendala yang
dihadapi yang ditemukan pada penggunaan transmisi energi kabel sehingga dibutuhkan suatu
pemahaman khusus pada operasi kerja kumparan tesla beserta parameter-parameter yang
memengaruhinya. Sehingga pada penelitian ini akan dilakukan variasi terhadap parameterparameter yang ada pada kumparan tesla khususnya penyetelan frekuensi, kapasitansi primer dan
lebar celah udara dengan tujuan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap operasi kerja kumparan
tesla. Dengan melakukan penelitian ini diharapkan dapat memberikan suatu pemahaman terhadap
karakteristik kerja dari sistem transmisi daya masa depan.
Tinjauan Teoritis
Kumparan tesla merupakan sebuah rangkaian resonant transformer yang ditemukan oleh
Nikola Tesla pada tahun 1891. Kumparan tesla ini mampu menghasilkan output dengan
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
karakteristik : tegangan yang tinggi, arus yang lemah, namun dengan frekuensi tinggi.
Karakteristik kerjanya hampir mirip seperti trafo hanya saja kumparan tesla menggunakan udara
sebagai inti trafonya sehingga kopling antara kumparan primer dan sekunder dari tesla kumparan
jauh lebih renggang dibandingkan dengan trafo biasa yang kopling primer dan sekundernya
sangat tinggi dengan menggunakan bahan ferromagnetik atau inti besi. Kopling yang sangat kuat
pada trafo biasa menyebabkan nilai frekuensi output yang dihasilkan oleh kumparan output
bernilai sama seperti halnya frekuensi input, namun bila kopling yang digunakan bersifat lemah,
maka akan terjadi suatu efek resonansi yang dapat menyebabkan nilai frekuensi output
mengalami peningkatan atau kelipatan yang cukup besar dibandingkan dengan frekuensi
inputnya.
Kumparan tesla pada umumnya memiliki komponen-komponen berikut ini :
 Trafo suplai tegangan tinggi (NST) : Berfungsi untuk menyuplai tegangan tinggi pada
kumparan tesla
 Celah udara: Sebagai bagian saklar tegangan tinggi.
Celah udara memengaruhi beberapa parameter dari kumparan tesla, antara lain :
a. Kuat medan listrik : merupakan besarnya nilai medan listrik yang muncul saat
terjadinya kondisi kegagalan isolasi udara. Hal ini dipengaruhi oleh tekanan atmosfir
dan sifat udara itu sendiri
b. Tegangan busur api pada celah udara : merupakan besarnya potensi tegangan yang
mungkin muncul saat terjadinya proses konduksi pada celah udara. Proses konduksi
yang dimaksudkan adalah, isolasi udara di antara kedua elektroda telah mengalami
kegagalan sehingga mampu menghasilkan busur api dan menyebabkan kedua
elektroda terhubung secara elektris.
c. Tegangan per unit : merupakan nilai tegangan yang muncul pada celah udara dibagi
dengan unit lebar celah udara yang digunakan. Tegangan per unit ini memiliki
dimensi yang sama dengan medan listrik. Hanya saja tegangan per unit hanya terfokus
pada tegangan yang muncul di celah udara dan lebar celah udara yang digunakan
tanpa memedulikan besarnya nilai tekanan udara dan koefisien ionisasi sekunder.
d. Waktu terjadinya lompatan api : merupakan lamanya waktu yang dibutuhkan dari
kondisi penyuplaian tegangan pada kapasitor primer hingga mencapai kondisi
timbulnya busur api di antara kedua elektroda.
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
e. Kegagalan isolasi yang terjadi setiap detik : merupakan banyaknya kejadian dimana
isolasi udara di antara kedua elektroda ditembus dalam satu detik. Kegagalan isolasi
per detik mengikuti persamaan :
(1)
Dengan :
BPS = Banyaknya kegagalan isolasi per detik (Break per second) (s-1)
N
= Jumlah kegagalan isolasi udara yang terjadi
t
= waktu yang dibutuhkan untuk kegagalan isolasi yang terjadi (s)
f. Daya yang timbul pada celah udara : merupakan banyaknya daya yang yang dikirim
menuju celah udara. Parameter ini didefinisikan lebih jauh pada persamaan :
(2)
Dimana :
Pgap
= Besar daya yang muncul pada celah udara (Watt)
Ep
= Besar nilai energi pada kapasitor primer (Joule)
BPS
= Kegagalan isolasi per detik (Break per second) (s-1)
g. Panjang lompatan api yang dihasilkan : merupakan panjang dari lompatan api yang
terbentuk pada celah udara saat kegagalan isolasi udara terjadi. Parameter ini
dipengaruhi oleh kemampuan suplai trafo, energi efektif yang tersimpan pada
kapasitor dan banyaknya kegagalan yang didefinisikan dalam persamaan John
Freau[10]:
(√
√
)
Dimana :
= Panjang lompatan api yang dihasilkan oleh celah udara (cm)
= Besar daya input dari trafo suplai (W)
= Energi efektif kapasitor (Joule)
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
(3)
= Kegagalan per satuan detik (s-1)
 Kapasitor primer : berfungsi untuk melakukan penyimpanan dan pelepasan energi dalam
bentuk muatan listrik pada kumparan tesla. Besarnya nilai energi yang mampu disimpan
mengikuti persamaan :
(4)
Dimana :
= Energi yang mampu disimpan oleh kapasitor primer (J)
= Nilai kapasitansi dari kapasitor primer (F)
= Tegangan yang muncul pada kapasitor primer (V)
Kapasitor primer bersama kumparan sekunder menghasilkan frekuensi kerja dari
kumparan tesla sesuai dengan persamaan :
(5)
√
Dimana :
f
= frekuensi sistem (Hz)
Lp
= Nilai Induktansi kumparan primer (H)
Cp
= Nilai kapasitansi kapasitor primer (F)
 Kumparan primer : Berfungsi untuk menyimpan energi dalam bentuk medan magnet.
Sehingga bila kapasitor primer menyimpan energi dalam gelombang listrik dan kumparan
primer menyimpan energi dalam gelombang magnetik, maka akan dihasilkan suatu energi
gelombang elektromagnetik.
 Kumparan sekunder : Berfungsi untuk menerima gelombang energi magnetik dari bagian
primer.
 Toroida : Berfungsi sebagai kapasitor pada bagian sekunder yang berfungsi untuk
menerima gelombang energi listrik dari bagian primer.
 Kapasitor PFC : Kapasitor yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya pada
kumparan tesla.
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
 Filter jaringan : Berfungsi untuk mengamankan jaringan utama bila terjadi abnormalitas
dari kumparan tesla
 Pengawatan : Berfungsi untuk membentuk sambungan listrik pada kumparan tesla.
 Pentanahan : Sebagai pengaman apabila terjadi hubung singkat dan arus berlebih.
Metode Pengujian
Penelitian akan dilakukan dengan terlebih dahulu seberapa besar spesifikasi yang
dibutuhkan pada kumparan tesla dengan menggunakan trafo suplai yang telah ditentukan yang
selanjutnya akan dimasukkan pada simulasi javaTC sebagai proses perancangan.
JavaTC atau Java Tesla Kumparan merupakan program tak berbayar yang dibuat oleh
Barton B. Anderson yang berfungsi untuk mengetahui spesifikasi-spesifikasi yang dibutuhkan
dalam proses perancangan kumparan tesla agar mendapatkan operasi kerja yang optimal
sekaligus mampu mengetahui pengaruh perubahan nilai parameter-parameter yang ada pada
kumparan tesla terhadap operasi kerja kumparan tesla yang berlandaskan penelitian, jurnal-jurnal
dan artikel ilmiah mengenai kumparan tesla, tegangan dan arus tinggi yang sudah teruji kevalidan
data dan penelitian yang dilakukannya seperti penelitian Jim Lux, John Freau, Richard Burnett,
Bert Hickman dan masih banyak lagi. Program javaTC ini dapat diakses secara online melalui
alamat http://www.classictesla.com/java/javatc/javatc.html.
Selanjutnya setelah proses simulasi untuk melakukan perancangan telah dilakukan,
penelitian yang akan dilakukan berikutnya adalah seputar perencanaan pembangunan koil tesla
yang selanjutnya akan dilakukan pengujian pada Laboratorium Tegangan Tinggi dan Pengukuran
Listrik (LTTPL), lantai 1, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
Dalam penelitian ini dilakukan beberapa metode, yaitu dengan studi literatur, berlanjut ke
pengumpulan informasi, berlanjut ke pengujian dan terakhir adalah analisis. Diagram alir dari
proses rancang bangun yang dilakukan dalam skripsi ini adalah seperti pada gambar 2.
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
Gambar 1 Diagram alir metode penelitian
1.
Mengumpulkan material yang telah tertera pada bagian alat dan bahan rancang bangun
Pada tahap ini, material-material yang telah tertera pada bagian alat dan bahan
dikumpulkan dan dilakukan pengecekan apakah bahan-bahan tersebut memiliki kondisi
yang baik untuk digunakan dalam membentuk rangkaian koil tesla.
2.
Merancang kumparan sekunder
Merancang kumparan sekunder dilakukan dengan melilitkan kabel tembaga pada pipa
PVC yang selanjutnya diketanahkan. Pada tahap ini, dipasang juga toroida pada bagian
atas kumparan sekunder sehingga lilitan tembaga dan toroida akan membentuk rangkaian
resonansi sekunder.
3.
Mempersiapkan alas dan bahan dasar kumparan primer
Pada tahap ini dirancang bagian alas tempat untuk meletakkan kumparan primer dan
menegakkan kumparan sekunder. Bagian dasar atau alas koil tesla ini merupakan bagian
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
yang sangat penting karena pada bagian inilah hubungan kabel antara kumparan primer
dengan trafo tegangan tinggi dan kapasitor primer diletakkan.
4.
Merancang kumparan primer
Merancang kumparan primer dilakukan dengan memutarkan tabung tembaga diameter
kecil beberapa sentimeter (cm) dari kumparan primer. Perputaran tabung tembaga ini
dilakukan di atas bagian alas yang sudah dibentuk sebelumnya. Pada tahap ini dilakukan
juga penyambungan antara kumparan primer dengan kapasitor primer (kapasitor SWC)
sehingga kedua bagian tersebut akan membentuk rangkaian resonansi primer. Selanjutnya
bagian kapasitor primer ini akan disambungkan dengan spark gap sebagai saklar tegangan
tinggi.
5.
Menyatukan bagian primer dan sekunder
Penyatuan bagian primer dan sekunder dilakukan dengan meletakkan kumparan sekunder
di tengah-tengah bagian alas yang terbuat dari tripleks dan kayu. Selanjutnya kumparan
primer yang sudah dihubungkan dengan kapasitor SWC akan diletakkan melingkari
kumparan sekunder beberapa sentimeter. Pada tahap ini bagian inti dari koil tesla telah
terbentuk.
6.
Menghubungkan koil tesla dengan transformator NST dan spark gap
Penyambungan koil tesla dengan transformator NST dilakukan pada kumparan primer
sehingga tegangan, arus dan daya yang diatur oleh trafo akan menjadi tegangan,arus dan
daya input dari koil tesla.
7.
Memberikan proteksi pada rangkaian koil tesla
Proteksi dilakukan untuk mencegah terjadinya gangguan yang dapat merusak jaringan
listrik dari gedung-gedung dan perumahan. Proteksi ini dapat dilakukan dengan
menghubungkan koil tesla dengan pemutus tegangan (PMT) sehingga saat terjadi
abnormalitas parameter pada koil tesla tidak mengganggu keseluruhan sistem kelistrikan
perumahan dan tidak mencelakakan pengguna dan mahluk hidup sekitar jaringan.
8.
Menyambungkan koil tesla dengan suplai jala-jala
Setelah bagian inti koil tesla, penyambungan trafo tegangan tinggi, dan proteksi koil telah
diselesaikan, barulah tahap penyambungan suplai jala-jala sebagai suplai utama dengan
koil tesla dilakukan. Pada tahap ini, suplai dari jala-jala akan mengalir menuju
transformator NST yang selanjutnya parameter-parameter yang berkenaan (tegangan dan
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
arus) dengan penggunaan koil tesla akan diatur sedemikian rupa sehingga sesuai dengan
kebutuhan dari rangkaian.
9.
Evaluasi rangkaian
Setelah suplai utama menyuplai rangkaian koil tesla, dilakukan pengukuran dan evaluasi
atas hasil dari parameter-parameter koil tesla. Bila nilai parameter-parameter yang muncul
memiliki nilai yang jauh dari perencanaan maka perlu dilakukan evaluasi terhadap
kualitas dan konfigurasi komponen-komponen koil tesla demi menjamin kualitas yang
baik yang sesuai dengan harapan dan perencanaan penelitian. Parameter yang sesuai
dengan perencanaan akan memengaruhi nilai keluaran koil tesla yang selanjutnya akan
digunakan untuk melakukan berbagai macam variasi percobaan dan pengukuran sehingga
nilai keluaran yang dihasilkan dari berbagai variasi akan memiliki pola tertentu yang
dapat digunakan untuk proses analisis dan membentuk suatu kesimpulan percobaan.
Peralatan Pengujian
1. Trafo penghasil tegangan tinggi : NST (Neon Sign Transformer) dengan kapasitas 9 kV
30mA
2. Kumparan sekunder:
a. Pipa Polivinil Klorida (PVC) dengan diameter 1.5 inci dan panjang 150 cm
b. Tembaga 24 AWG sepanjang 90 meter
c. Cairan pelapis enamel
d. Kepala penutup pipa PVC 1.5 inci berjumlah dua buah
3. Toroid
a. Pipa alumunium (alumunium duct)
b. Piring berbahan plastik
c. Baut dan mur
4. Bagian dasar kumparan
a. Beberapa tripleks dan macam-macam kayu
b. Baut, mur dan ring
5. Kumparan primer : Kabel AWG 13 sepanjang 15 meter
6. Kapasitor primer : 9 kapasitor SWC (Salt Water Capacitor) yang terbuat dari botol kaca yang
dilapisi pelekat alumunium dan diisi dengan air garam
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
7. Celah udara : Celah udara yang terbuat dari dua konduktor logam yang dipisahkan secara
sejajar
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
(g)
Gambar 2 (a) Trafo NST (b) Kapasitor Air Garam (c) Kumparan Primer (d) Celah Udara (e)
Kumparan Sekunder (f) Toroida (g) Kumparan Tesla Hasil Rancang Bangun
Rangkaian Rancang Bangun
Gambar 3 Rangkaian rancang bangun kumparan tesla
Penelitian yang dilakukan dikhususkan pada beberapa perubahan parameter saja antara
lain :
a. Melakukan perubahan penyetelan frekuensi melalui proses auto-tune
b. Melakukan perubahan lebar celah udara
Perubahan lebar celah udara, divariasikan pada jarak : 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm dan
5 mm
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
c. Melakukan perubahan pada besar kapasitansi primer yang digunakan
Perubahan kapasitansi primer yang dengan lebar celah 0.3 cm dan menggunakan
kapasitor SWC dengan rating 0.353 nF per botol, divariasikan sebagai berikut :

3 botol SWC (1.059 nF)

6 botol SWC (2.118 nF)

9 botol SWC (3.117 nF)

12 botol SWC (4.326 nF)

15 botol SWC (5.295 nF)
d. Mengamati bentuk tegangan dan arus pada sisi sekunder.
Setelah proses variasi dilakukan, selanjutnya program javaTC akan dijalankan untuk
melakukan pengambilan data simulasi.
Hasil Penelitian dan Pembahasan
Berdasarkan hasil simulasi javaTC, didapatkan hasil sebagai berikut :
1. Perubahan akibat penyetelan frekuensi
Tabel 1 Perbandingan Parameter Sebelum Dan Sesudah Auto-Tune
Perubahan parameter
Sebelum di tuned
Setelah di tuned
Primary coil – Radius max.
27
26.244
Primary coil – Turns
16
15.4504
Primary resonant frequency (kHz)
337.08
352.33
Percent frequency is detuned
4.33 % high
0%
Primary inductance (μH)
70.171
64.296
Mutual inductance (μH)
102.436
99.176
Coupling coefficient
0.121
0.123
Energy transfer
8.26
8.13
Total energy transfer time (μs)
12.15
11.43
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
Proses auto-tune merupakan proses dimana frekuensi rangkaian primer “disetel”
secara otomatis agar menghasilkan nilai yang sama dengan frekuensi sekunder. Hal ini
dilakukan dengan mengubah panjang dan jumlah lilitan kumparan primer karena
parameter tersebut dapat mengubah nilai induktansi rangkaian primer dan dapat
memengaruhi frekuensi bagian primer seperti yang dijelaskan dalam persamaan (5).
Oleh karena itulah kedua parameter tersebut mengalami perubahan dan penyesuaian.
Proses auto-tune menyesuaikan frekuensi resonansi di primer agar mendekati
nilai frekuensi resonansi sekunder sehingga setelah di auto-tune, nilai frekuensi
resonansi kedua bagian memiliki nilai yang sama ini menyebabkan percent frequency
detuned nya bernilai 0 %.
Induktansi primer merupakan nilai induktansi kumparan primer yang digunakan
pada rangkaian karena untuk menaikkan nilai frekuensi resonansi primer pada
rangkaian dibutuhkan nilai induktansi primer yang semakin kecil hal ini menyebabkan
induktansi primer mengalami kenaikan. Induktansi primer yang semakin bertambah ini
akan memengaruhi besarnya nilai fluks-fluks magnetik yang masuk dari bagian primer
ke sekunder sehingga menyebabkan nilai induktansi bersamanya mengalami kenaikan.
Sedangkan Coupling coefficient atau koefisien kopling merupakan koefisien yang
menggambarkan hubungan magnetis antara suatu kumparan dengan kumparan lain
yang nilainya berbanding terbalik dengan induktansi primer.
Energy transfer merupakan besar nilai energi yang dikirim dari kumparan primer
ke sekunder pada setengah siklus gelombang pertama. Seperti yang sudah dijabarkan,
energi yang ditransfer dari primer ke sekunder berasal dari komponen penyimpan
energi seperti kapasitor dan induktor. Jika komponen kapasitor primer yang digunakan
tetap, tetapi komponen induktor primer yang digunakan memiliki nilai induktansi yang
bertambah kecil, maka besarnya energi yang ditransfer dari primer ke sekunder pun
akan mengalami penurunan.
Total energy transfer time merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirim
energi dari primer ke sekunder. Lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mengirim
sekumpulan energi dari primer ke sekunder dipengaruhi oleh kemampuan transfer
komponen yang digunakan dan besarnya energi yang akan ditransfer. Jika kemampuan
transfer dari komponen tidak mengalami perubahan yang signifikan tetapi besarnya
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
energi yang dikirim semakin besar, maka lamanya waktu pengiriman energi dari
bagian primer dan sekunder pun akan mengalami kenaikan
Lebar Celah Udara vs Energi Efektif
Kapasitor
Tegangan Terminal (V)
250000
0,4
0,37
0,3
y = 0,086x - 0,072
R² = 0,9898
0,2
0,27
100000
0,09
0
1
2
3
4
194106
y = 34478x + 25503
R² = 0,9953
150000
0,03
0
Lebar Celah Udara vs Tegangan
Terminal
200000
0,17
0,1
132866
96935
50000
165013
55757
0
0
5
1
2
3
4
Lebar Celah Udara (mm)
Lebar Celah Udara (mm)
(a)
(b)
Lebar Celah Udara vs Daya Pada Celah
Udara
Daya Celah Udara (W)
Energi Efektif Kapasitor (Joule)
2. Perubahan akibat variasi lebar celah udara
250
200
150
100
50
0
y = 34,4x + 25,8
R² = 0,9953
1
133
97
56
0
165 194
2
3
4
5
Lebar Celah Udara (mm)
(c)
Gambar 4 (a) Lebar Celah Udara vs Energi Efektif Kapasitor (b) Lebar Celah Udara vs
Tegangan Terminal (c) Lebar Celah Udara vs Daya Pada Celah Udara
Effective capacitor energy merupakan energi yang muncul pada kapasitor primer
saat kondisi celah udara terkonduksi. Energi kapasitor ini dipengaruhi oleh parameter
tegangan yang dihasilkan pada celah udara karena besarnya energi yang dikeluarkan
oleh kapasitor berbanding lurus dengan kuadrat tegangan dimana pada kasus ini,
tegangan yang dimaksud merupakan nilai tegangan yang dihasilkan oleh celah udara.
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
5
Semakin besar tegangan yang dihasilkan pada celah udara, maka akan semakin besar
pula energi yang dibutuhkan dan dikirim dari kapasitor primer.
Terminal voltage merupakan besarnya nilai tegangan yang dihasilkan pada
toroida di bagian sekunder. Besarnya nilai tegangan toroida ini dipengaruhi oleh
besarnya nilai tegangan puncak sebagai saat seluruh energi disimpan dalam kapasitansi
resonator (kapasitansi saat terjadi nilai frekuensi resonansi primer yang sama dengan
sekunder). Tegangan pada toroida ini berbanding lurus dengan tegangan puncak
kapasitor primer atau dalam kasus ini tegangan busur api sehingga semakin besar
tegangan busur api maka semakin besar pula tegangan yang muncul pada toroida.
Power delivered to gap merupakan besarnya daya yang dikirim menuju celah
udara. Parameter ini juga menyatakan besarnya nilai daya yang dapat muncul pada
celah udara yang berfungsi sebagai satuan daya yang akan dikirim dari celah udara
menuju kumparan. Parameter daya yang terkirim menuju celah udara ini dipengaruhi
oleh besarnya energi kapasitor dan banyaknya lompatan api yang terjadi pada celah
udara
semakin banyak kegagalan yang terjadi dan semakin besar nilai energi yang
dilepaskan kapasitor maka akan semakin besar pula daya yang muncul pada celah
udara. Hal ini diakibatkan karena kegagalan yang terjadi pada celah udara merupakan
luapan energi yang dihasilkan kapasitor primer saat energi tersebut melebihi energi
yang dibutuhkan untuk menembus isolasi udara pada celah udara dalam setiap detiknya
sehingga semakin sering terjadi kegagalan pada celah udara dan semakin besar energi
yang dihasilkan oleh kapasitor primer, maka akan semakin besar pula daya yang
dihasilkan pada celah udara.
3. Perubahan akibat variasi kapasitansi primer
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
Kapasitansi Primer vs Total Waktu
Transfer Energi
600
583,84
400
y = -72,096x + 607,09
R² = 0,8872
412,84
200
Total Waktu Transfer Energi
(ms)
800
337,08 288,87
261,1
0
0
2
4
6
Kapasitansi Primer (nF)
20,000
15,000
y = 2,0223x + 5,3247
R² = 0,9873
10,000
7,010
5,000
9,920
15,680
14,170
12,150
0,000
0
2
4
Kapasitansi Primer (nF)
(a)
(b)
Kapasitansi Primer vs Tegangan
Terminal
Tegangan Terminal (V)
Frekuensi Primer (kHz)
Kapasitansi Primer vs Frekuensi Primer
200000
150000
108485
76710
100000
132866
155042
171529
y = 22124x + 58239
R² = 0,9875
50000
0
0
2
4
6
Kapasitansi Primer (nF)
(c)
Gambar 5 (a) Kapasitansi Primer vs Frekuensi Primer (b) Kapasitansi Primer vs Total
Waktu Transfer Energi (c) Kapasitansi Primer vs Tegangan Terminal
Primary resonant frequency merupakan nilai frekuensi yang muncul pada bagian
primer diakibatkan oleh pengaruh induktor dan kapasitor pada rangkaian seperti yang
dijabarkan dalam persamaan (5). Berdasarkan persamaan tersebut dapat diketahui
bahwa nilai frekuensi resonansi berbanding terbalik dengan nilai akar dari kapasitor
sehingga, semakin besar kapasitor yang digunakan, frekuensi resonansi yang muncul
pada bagian primer akan mengalami penurunan meskipun tidak begitu signifikan.
Total energy transfer time merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengirim
energi dari primer ke sekunder. Jika kemampuan transfer energi komponen primer dan
sekunder dianggap tetap sedangkan energi yang ingin ditransfer pada kapasitor
semakin besar, maka waktu yang dibutuhkan untuk melakukan proses transfer energi
akan semakin lama.
. Terminal voltage merupakan besarnya nilai tegangan yang dihasilkan pada
toroida di bagian sekunder. Nilai tegangan ini dipengaruhi oleh besarnya nilai tegangan
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
6
efektif dalam fungsi kapasitansi pada saat seluruh energi disimpan dalam kapasitansi
resonator. Dikarenakan kapasitansi menyimpan energi dalam bentuk muatan, lalu
melakukan pelepasan muatan pada suatu tegangan tertentu sehingga terjadi lompatan
api pada celah udara, maka semakin besar kapasitansi yang digunakan pun akan
berakibat pada besarnya energi yang disimpan.Besarnya energi yang disimpan
kapasitor primer akan memengaruhi seberapa besar energi yang dikirim menuju
komponen kapasitor primer atau toroida. Energi yang diterima oleh toroida selanjutnya
akan dilepaskan dalam bentuk muatan yang menyambar di sekeliling toroida atau
disebut juga dengan streamer.
4. Tegangan dan arus pada lilitan sekunder
Tabel 2 Perbandingan Panjang, Tegangan dan Arus Dari Kumparan Sekunder
Panjang
kumparan Tegangan pada kumparan Arus pada kumparan
sekunder (cm)
(V)
(A)
0
870.5
7
5
13110
7
10
30547
6.9
15
48535
6.9
20
66479
6.8
25
84000
6.6
30
100000
6.45
35
112364
6.25
40
128288
6
45
142723
5.78
48.7
150000
5
Besarnya nilai kelipatan tegangan dan arus yang terjadi pada ujung kumparan
sekunder dapat dihitung dengan :
(6)
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
(7)
Sedangkan besarnya nilai kelipatan arus yang terjadi adalah :
(8)
(9)
Adapun nilai pelipatan yang berbeda jauh ini disebabkan karena faktor resistansi
dalam kumparan sekunder.
Kesimpulan
1. Kumparan tesla mampu menghasilkan output dengan karakteristik : tegangan yang tinggi,
arus yang lemah, namun dengan frekuensi tinggi.
2. Proses penyetelan frekuensi berfungsi untuk mengubah nilai frekuensi bagian primer agar
mendekati nilai frekuensi sekunder dengan cara mengubah lilitan ataupun koneksi pada
kumparan primer.
3. Frekuensi primer yang semakin mendekati frekuensi sekunder dapat mengoptimalkan
energi yang mampu ditransfer dari bagian primer ke sekunder
4. Semakin lebar celah celah udara yang digunakan, maka akan berimbas pada semakin
besar energi efektif yang tersimpan dalam kapasitor, semakin besar tegangan yang
muncul pada toroida dan semakin besar daya yang dikirim menuju celah udara
5. Semakin besar kapasitor primer yang digunakan, akan berimbas pada semakin kecil
frekuensi resonansi yang dihasilkan, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk
melakukan transfer energi dan semakin besar tegangan yang muncul pada toroida
6. Panjang kumparan sekunder berbanding lurus dengan tegangan pada kumparan sekunder
dan berbanding terbalik dengan arus pada kumparan sekunder.
7. Besarnya nilai tegangan dan arus pada kumparan sekunder mengalami kelipatan dari nilai
tegangan dan arus bagian primer. Parameter tegangan mengalami pelipatan sebesar 16.67
kali dan untuk arus mengalami pelipatan sebesar 166.67 kali.
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014
Daftar Pustaka
[1] Anderson, Barton B. (2000,November 24). The Classic Tesla Coil : A Dual-Tuned Resonant Transformer.
[2] Burnett,Richard. Richie’s Tesla Coil Webpage http://www.richieburnett.co.uk/tesla.shtml
[3] Waser, Andre. (2000). Nikola TESLA’s Wireless Systems. www.andre-waser.ch
[4] Mills, Hank. (2011, April). “Tesla Coil for Dummies”.
http://pesn.com/2011/04/29/9501818_Tesla_Coils_for_Dummies/
[5] “How to Build A Tesla Coil”. (n.d.). http://www.instructables.com/id/How-to-build-a-TeslaCoil/?ALLSTEPS
[6] “Neon Sign Replacement Parts”. The Neon Sign Guy.
http://www.neonsignguy.com/neonsignreplacementparts.html
[7] “Components: Transformers”. Mark’s Tesla Coil Page. http://www.stolzweb.org/tesla/psu/xformer.htm
[8] “Tesla Coil Design, Construction and Operation Guide”. (2009). Kevin Wilson.
http://www.teslacoildesign.com/construction.html
[9] Gerekos, Christopher. (2012). "The Tesla Coil : Zeus Project". Perancis: Universite Libre de Bruxelles
[10] L.A.N.L. report "High-Power Microwave-Tube Transmitters, chapter 7, by William North" (the North
Report)
[11] Modul Praktikum Teknik Arus dan Tegangan Tinggi. (2012). Laboratorium Tegangan Tinggi dan
Pengukuran Listrik. Universitas Indonesia.
[12] Barton B Anderson. JAVATC- http://www.classictesla.com/java/javatc/javatc.html
Analisis pengaruh..., Lazuardi Imami Abduh, FT UI, 2014