rancang bangun sistem pencahayaan hybrid

RANCANG BANGUN SISTEM PENCAHAYAAN HYBRID MENGGUNAKAN
SERAT OPTIK DAN ULTRABRIGHT LED
Henri Sukmajaya – 2205 100 148
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS, Surabaya – 60111
Abstrak - Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem
pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih sumber
cahaya. Sistem ini terdiri dari sistem cahaya buatan dan
cahaya alami. Sumber cahaya buatan didapatkan dari
peranti semikonduktor yaitu ultrabright Light Emitting
Diode/Luxeon (LED) sedangkan cahaya alami didapatkan
dari matahari yang disalurkan melalui serat optik.
Pada tugas akhir ini dibuat sistem pencahayaan
hybrid yang mengabungkan sumber cahaya alami dari
sinar matahari yang kemudian dikompensasi oleh cahaya
dari ultrabright LED. Sumber cahaya alami diperoleh dari
sinar matahari yang difokuskan oleh parabola kolektorcahaya. Parabola kolektor-cahaya berfungsi untuk
memusatkan cahaya matahari menjadi satu titik cahaya.
Cahaya tersebut kemudian dilewatkan melalui serat optik
untuk dipancarkan pada ruangan yang membutuhkan
pencahayaan. Parabola kolektor-cahaya dapat mengikuti
pergerakan cahaya matahari dengan pendeteksian sensor
dan pergerakan motor DC. Sumber cahaya buatan
diperoleh dari tiga buah ultrabright LED yang dipasang
membentuk segitiga. Sumber cahaya ini digunakan untuk
mengkompensasi sumber cahaya alami sehingga
kebutuhan pencahayaan ruangan bisa terpenuhi. Proses
kontrol iluminasi ruangan menggunakan metode kontrol
proporsional
Berdasarkan pengujian didapatkan bahwa sistem
pencahayaan hybrid yang telah dirancang mampu
memberikan pencahayaan ruangan yang konstan 200 lux
dengan fluktuasi cahaya serat optik dengan rata-rata eror
steady state sebesar 3,57% atau 1,34 lux.
Kata Kunci: pencahayaan hybrid, ultrabright LED, serat
optik, parabola kolektor-cahaya.
PENDAHULUAN
Penggunaan energi listrik untuk pencahayaan pada
gedung-gedung swasta atau pemerintah memerlukan
biaya operasional yang tinggi, terutama pada gedunggedung yang membutuhkan pencahayaan pada siang hari
seperti ruangan bawah tanah, tempat parkir, perpustakaan,
rumah sakit, dan lain-lain. Di sisi lain, letak geografis
negara Indonesia pada jalur khatulistiwa memberikan
keuntungan akan melimpahnya sumber cahaya matahari.
Salah satu cara untuk menghemat penggunaan energi
listrik untuk pencahayaan adalah dengan memanfaatkan
sumber cahaya matahari.
Sumber cahaya matahari bisa dimanfaatkan untuk
kebutuhan pencahayaan dengan menggabungkan sumber
energi lain yang dikenal dengan sistem pencahayaan
hybrid. Sistem pencahayaan hybrid merupakan sistem
pencahayaan yang menggabungkan dua atau lebih
sumber cahaya untuk satu sistem pencahayaan. Sumber
cahaya yang digunakan adalah sumber cahaya yang
memanfaatkan sinar matahari dan sumber cahaya
berbasis solid state. Sistem pencahayaan hybrid
membutuhkan pencahayan buatan beberapa saat ketika
cahaya matahari tidak bersinar sepenuhnya sehingga
tidak bisa memberikan pencahayaan yang cukup pada
ruangan [1].
Penggunaan sinar matahari dinilai lebih murah dan
memberikan efisiensi energi. Sedangkan penggunaan
sumber cahaya berbasis solid state dinilai lebih hemat
daya dan mempunyai umur pemakaian yang lebih lama
dibandingkan dengan lampu listrik
II.
TEORI PENUNJANG
Teori yang digunakan meliputi Serat optik,
Ultrabright LED, Sensor LDR, Pulse Width Modulation
(PWM), Intensitas penerangan (Iluminasi)
2.1 Serat Optik
Prinsip pemanduan cahaya pada serat optik adalah
total internal reflection. Total internal reflection dapat
terjadi apabila cahaya datang dari suatu medium yang
memiliki indek bias lebih tinggi ke medium yang
memiliki indek bias lebih rendah dan dengan sudut datang
lebih besar dari pada sudut kritisnya. Sinar 1,2 dan 3
mengalami refraksi karena sudut datangnya lebih kecil
dari pada sudut kritis, sedangkan sinar 4 dan 5
dipantulkan karena sudut datangnya lebih besar dari pada
sudut kritisnya.
I.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Gambar 2.1 Total Internal Reflection
Ultrabright/Luxeon LED
Ultrabright
LED
merupakan
device
semikonduktor yang dapat memancarkan cahaya dengan
memberikan bias tegangan pada sambungan p-n
semikonduktor. Ultrabright LED memancarkan cahaya
2.2
1
putih yang lebih cerah dan cocok untuk aplikasi
pencahayaan dibandingkan LED biasa.
3.1.1 Perancangan sistem pencahayaan buatan
Sistem pencahayaan buatan diperoleh dari 3 buah
ultrabright LED yang disusun membentuk segitiga.
Gambar 2.2 Ultrabright/Luxeon LED [5]
Sensor LDR (Light Dependent Resistor)
LDR merupakan resistor yang resistansinya
berubah seiring dengan intensitas cahaya yang
mengenainya atau yang ada di sekitarnya. Dalam keadaan
gelap resistansi LDR biasanya sekitar 10 Mohm,
sedangkan dalam keadaan terang sekitar 1Kohm atau
kurang.
2.3
Gambar 2.3 LDR (Light Dependent Resistor).
2.4
Intensitas Penerangan (Iluminasi)
Intensitas penerangan adalah pernyataan kuantitatif
untuk intensitas cahaya yang menimpa atau sampai pada
permukaan bidang. Intensitas penerangan disebut pula
iluminasi atau kuat penerangan dengan satuan lux [3].
III.
PERANCANGAN ALAT
Desain ini memungkinkan kedua sistem
pencahayaan untuk bekerja secara bersama. Kedua sistem
akan bekerja secara bersama saat sistem pencahayaan
alami dari serat optik tidak mampu memberikan
pencahayaan ruangan yang cukup, sehingga kekurangan
pencahayaan ruangan akan dikompensasi oleh sistem
pencahayaan buatan.
3.1 Perancangan sistem pencahayaan hybrid
Sistem pencahayaan hybrid secara garis besar
terdiri dari tiga komponen utama, yaitu sistem
pencahayaan buatan dari ultrabright LED, sistem
pencahayaan alami dari serat optik, dan sistem pengaturan
iluminasi.
Gambar 3.2 Skematik ultrabright LED
Berdasarkan karakteristik dari ultrabright LED,
intensitas keluaran ultrabright LED maksimal pada arus
700mA (dari datasheet). Dari karakteristik ini kita dapat
menetukan arus kemudi pada LED, dalam hal ini
ditentukan arus kemudi maksimal adalah sebesar 470mA.
Sehingga besar arus kemudi yang dibutuhkan untuk 3
buah ultrabright LED adalah tetap 470mA, hal ini karena
LED dipasang secara seri.
3.1.2 Perancangan sistem pencahayaan mengunakan
serat optik
• Perancangan mekanik
Perancangan mekanik meliputi pembuatan
mekanik solar tracker dan parabola kolektor-cahaya
matahari. Perancangan sistem pencahayaan alami
dengan medium serat optik terdiri dari parabola
kolektor-cahaya dan solar tracking otomatis. Sistem
distribusi cahaya menggunakan serat optik.
Untuk tujuan kopling cahaya ke dalam
serat
optik,
digunakan kolektor
kedua berupa
cermin datar yang ditempatkan di bawah titik
fokus
dari parabolic
dish concentrator/parabola
kolektor-cahaya seperti tampak pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Parabola kolektor-cahaya
Gambar 3.4 Mekanik solar tracker
Gambar 3.1 Miniatur ruangan sistem pencahayaan hybrid
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
2
Perancangan hardware solar tracker
Hardware solar tracker terdiri dari rangkaian
komparator, rangkaian driver motor DC, dan empat buah
sensor cahaya berupa LDR.
Rangkaian komparator digunakan untuk
membandingkan nilai tegangan sensor. Terdapat dua
buah rangkaian komparator. Pada gambar 3.5 berikut
adalah dua buah komparatorA dan komparatorB.
•
Gambar 3.7 Rangkaian driver motor DC
3.1.3 Perancangan sistem kontrol iluminasi
Perancangan hardware kontrol iluminasi
Hardware untuk sistem pengatura iluminasi
terdiri dari rangkaian sistem minimum mikrokontroler
Atmega16 dan rangkaian driver LED menggunakan
transistor TIP31. Berikut adalah gambar rangkaian sistem
minimum mikrokontroler yang dilengkapi dengan driver
LED.
•
Gambar 3.5 Rangkaian komparator
Gambar 3.6 Rangkaian sensor untuk solar tracker
Hardware selanjutnya adalah rangkaian driver
motor DC. Driver motor DC digunakan untuk
mengendalikan putaran motor apakah motor diinginkan
berputar searah jarum jam atau berputar berlawanan
dengan jarum jam. Pada perancangan ini digunakan IC
L298 sebagai komponen utamanya. Gambar rangkaian
driver motor DC dapat lihat pada gambar 3.7.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Gambar 3.8 Rangkaian driver LED
Rangkaian driver LED pada gambar 3.8
digunakan untuk menyalakan LED. Intensitas kecerahan
dari LED diatur melalui nilai PWM mikrokontroler
(OCR0) yang masuk ke JP4. Semakin besar nilai PWM,
maka nyala LED akan semakin terang dan sebaliknya.
3
Sistem kompensasi pada sistem pengaturan
iluminasi didasarkan pada mekanisme feedback, dimana
akan dibandingkan level pencahayaan total dalam
ruangan terhadap nilai set point yang diinginkan. Pada
mekanisme feedback digunakan sensor berupa LDR
yang terletak tepat dibawah sumber cahaya kombinasi
untuk mengetahui jumlah cahaya yang harus
dikompensasi oleh ultrabright LED. Sistem kontrol
iluminasi menggunakan metode kontrol proporsional
IV.
PENGUJIAN ALAT
Pada proses pengujian dilakukan antara lain
pengujian efisiensi pencahayaan menggunakan serat
optik, pengujian mekanik tracking matahari, dan
pengujian sistem kontrol iluminasi pencahayaan hybrid.
4.1
Gambar 3.9 Sistem minimum ATmega16
Minimum sistem ATmega16 selain digunakan
sebagai kontrol iluminasi ruangan, juga digunakan
sebagai kontrol untuk pergerakan motor DC.
Efisiensi pencahayaan menggunakan serat optik
Untuk mendapatkan nilai efisiensi tiap bagian
dari sistem pencahayaan buatan menggunakan serat
optik, dilakukan pengukuran nilai intensitas cahaya pada
beberapa titik menggunakan luxmeter. Bagian yang
diukur antara lain intensitas cahaya matahari, cahaya
yang dipantulkan oleh secondary mirror, cahaya yang
terfokuskan oleh parabola, dan cahaya keluaran dari
serat optik. Berikut adalah data intensitas cahaya yang
diukur pada beberapa titik pada pukul 09.30 pagi.
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui efisiensi
sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik yang
telah dibuat.
Intensitas matahari langsung
matahari
2
1
Fokus parabola
3
Fokus pantulan
cermin datar
Gambar 3.10 Rangkaian sensor LDR untuk ruangan
Satu buah sensor LDR untuk ruangan diletakkan
di bawah ruangan. Sensor ini bertujuan untuk mendeteksi
nilai intensitas cahaya ruangan. Cahaya yang dideteksi
merupakan cahaya kombinasi antara cahaya alami dan
cahaya buatan.
Keluaran
serat
optik
Perancangan software kontrol iluminasi
•
Cahaya
serat optik
Set
point
4
+
Eror
Kontroler
Driver LED
-
Ultrabright
LED
Iluminasi
Ruangan
terkontrol
Gambar 4.1 Gambar rangkaian pengujian nilai efisiensi
sistem pencahayaan alami menggunakan serat optik
Tabel 4.1 Data intensitas cahaya yang diukur pada
beberapa titik
Sensor
LDR
Gambar 3.11 Diagram alir sistem pengaturan iluminasi
ruangan
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
Dari tabel di atas, efisiensi adalah 0,45 atau 45%.
Efisiensi di dapat dari pembagian antara keluaran serat
optik dengan fokus pantulan.
4
Pengujian mekanik tracking matahari
Pengujian Mekanik tracking matahari dilakukan
dengan menggunakan sinar buatan berupa lampu bohlam.
Pengujian dengan lampu bohlam bisa berjalan normal dan
bisa memposisikan parabola kolektor-cahaya menghadap
ke lampu bohlam.
Hasil pengujian Mekanik tracking matahari adalah
sebagai berikut :
Arus maksimal motor atas pada saat bergerak vertikal ke
atas adalah 150mA dengan tegangan motor adalah 7 volt,
sehingga daya motor maksimal adalah :
PDC = v.i
= 7.0,15
= 1,05 watt,
sedangkan arus minimal motor atas pada saat bergerak
vertikal ke bawah adalah 25mA dengan tegangan motor
adalah 10 volt, sehingga daya motor minimal adalah :
PDC = v.i
= 10.0,025
= 0,25 watt
4.3 Pengujian karakterisasi ultrabright LED
Berikut adalah gambar grafik hubungan arus
kemudi dengan intensitas cahaya LED.
4.2
Gambar 4.3 menunjukkan bahwa tegangan
output sensor yang terbaca oleh ADC adalah sebesar 71
dengan intensitas cahaya ruangan adalah 200 lux. Nilai
ADC ini digunakan sebagai set point.
4.5
Pengujian PWM terhadap intensitas cahaya
Ultrabright LED
Gambar 4.4 menunjukkan bahwa nilai PWM
maksimal akan menghasilkan intensitas cahaya LED
maksimal yaitu 202 lux.
Gambar 4.4 Grafik pengaruh nilai PWM terhadap
intensitas cahaya LED
4.6
Pengujian
sistem
pencahayaan hybrid.
kontrol
iluminasi
Tabel 4.2 Hasil pengujian eror steady state
pengaturan intensitas cahaya dengan nilai set point
37,5 lux
Gambar 4.2 Grafik Pengaruh arus kemudi terhadap
intensitas cahaya LED
Gambar 4.2 menunjukkan bahwa semakin besar
nilai arus kemudi LED maka intensitas cahaya akan
semakin besar. Nilai arus kemudi maksimal dari LED
untuk desain ini adalah 470mA.
4.4 Pengujian sensor LDR
Cahaya serat
optik (lux)
1,8
2,4
3,1
4,3
5,3
6,8
9
11
13
15
22
26
31
Iluminasi ruangan
total dalam ruangan
(lux)
37,5
37,4
37,4
37,2
37
37,1
36,9
36,5
35,3
35,2
34,5
34,2
33,9
Eror rata-rata
Eror
(lux)
0,0
0,1
0,1
0,3
0,5
0,4
0,6
1,0
2,2
2,3
3,0
3,3
3,6
1,34
Gambar 4.3 Grafik Perbandingan intensitas cahaya
terhadap tegangan output sensor
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
5
42
39
36
33
30
27
24
21
18
15
12
9
6
3
0
4.
5.
0
4
8
12
16
20
24
28
32
Gambar 4.5 Grafik perbandingan nilai set point dengan
iluminasi total ruangan
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui tingkat
performansi dari pengaturan iluminasi dengan parameter
nilai eror steady state (Ess) yang dihasilkan. Penentuan
performansi suatu pengaturan
ran didasarkan pada beberapa
parameter antara lain eror steady state yang didefinisikan
sebagai kesalahan tunak selisih antara nilai set point
dengan nilai akhir pada keadaan tunak. Pengujian
performansi dilakukan dengan cara memberikan variasi
intensitas cahaya masukan dari serat optik yang kemudian
dilakukan pengamatan intensitas cahaya total akhir dalam
ruangan .
Pengujian juga dilakukan untuk membandingkan
intensitas cahaya lampu LED dengan lampu bohlam dan
lampu hemat energi (LHE) yang diukur pada jarak
jara yang
sama. Dari pengujiann didapatkan data pada tabel 4.7
sebagai berikut :
Tabel 4.3 Hasil pengujian hubungan intensitas cahaya
untuk
ntuk kebutuhan kompensator pada pencahayaan
hybrid digunakan sinyal PWM sebaga
sebagai metode
pengaturan intensitas cahaya dari ultrabright LED.
Daya motor maksimal 1,05 watt terjadi pada saat
motor atas bergerak ke atas, sedangkan daya motor
minimal 0,25 watt terjadi pada saat motor atas
bergerak ke bawah.
Pemakaian LED sebagai penerangan lebih efisien
dibandingkan dengan jenis lampu lain.
5.2
Saran
1. Untuk meningkatkan efisiensi cahaya serat optik
sebagai pengganti cermin datar dapat digunakan
cermin berbentuk elips atau hiperbolik yang secara
teoritis dapat meningkatkan cahaya terkopling ke
serat optik.
2. Penggunaan metode kontrol yang lengkap seperti PID
kontroler untuk kontrol iluminasi yang secara teoritis
akan menghasilkan eror steady state yang lebih kecil.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Jeff D Muhs, “Design and Analysis of Hybrid Solar
Lighting and Full Spectrum Solar Energy System”.
Oak Ridge National Laboratory. ASME Paper
number 33
[2] Jeff D Muhs. “Hybrid Solar Lighting Doubles the
Efficiency and Affordability of Solar Energy in
Commercial Building”. Oak Ridge National
Laboratory Newsletter No. 4. March 2003
2003.
[3] Muhaimin. 2001. “Teknologi
Bandung. PT. Refika Aditama.
Pencahayaan“.
[4] .... Atmega16 datasheet,
t, Atmel Corporation
Jenis lampu
Bohlam
Lampu LHE
LED
Intensitas cahaya
(lux)
Daya (Watt)
90
95
200
10
8
4,9
[5] … Luxeon K2 datasheet, Philips Co
Corporation
V. PENUTUP
5. 1 Kesimpulan
1. Telah dibuat sistem pencahayaan hybrid yang
menggabungkan sistem pencahayaan alami dari serat
optik dan sistem pencahayaan buatan dari ultrabright
LED dengan sistem
istem pencahayaan alami terdiri dari
primary colector berupa parabolic dish concentrator
dengan diameter 35 cm, dan secondary colector
berupa cermin datar dengan diameter 12 cm sebagai
kopling cahaya ke serat optik dengan efisiensi 45%..
45%.
2. Sistem pencahayaan hybrid yang telah dirancang
mampu memberikan pencahayaan ruangan yang
konstan dengan rata-rata eror
ror steady state sebesar
3,57% atau 1,34 lux.
3. Sistem
tem pencahayaan buatan menggunakan ultrabright
LED menghasilkan
an intensitas cahaya sebesar 37,5 lux
yang diukur pada jarak 50 cm dari sumber cahaya,
cahaya
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
FTI
6
RIWAYAT PENULIS
Penulis
dilahirkan
di
Lamongan pada tanggal 20 Februari
1986. Anak kelima dari lima
bersaudara dari pasangan Djani dan
Sukaeni. Penulis masuk di jurusan
teknik elektro ITS tahun 2005 melalui
jalur
SPMB.
Selama
menjadi
mahasiswa penulis aktif mengikuti
kompetisi-kompetisi tingkat nasional.
Diantaranya penulis pernah menjadi
finalis LCEN 2009 (Lomba Cipta
Elektroteknik Nasional) di ITS, Juara 1
Electrical Engineering Award di ITB, dan Juara 2 Lomba
Bussiness Plan di ITS. Penulis juga aktif sebagai trainer
pelatihan robot untuk mahasiswa dan SMA/SMP. Di bidang
akademik penulis aktif sebagai koordinator dan asisten
praktikum di Laboratorium Elektronika Dasar dan
Laboratorium Elektronika Industri. Selain itu penulis juga
suka dengan kegiatan-kegiatan yang berhubungan dengan
bisnis. Riwayat pendidikan penulis adalah sebagai berikut :
• Teknik Elektro ITS
• SMA Negeri 1 Lamongan
• SMP Negeri 1 Glagah-Lamongan
• SD Negeri Glagah 2-Lamongan
Penulis
bisa
dihubungi
melalui
email
:
[email protected] atau melalui alamat : Jln. Glagah
Kulon NO.11 Glagah-Lamongan 62292, JATIM.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS
7