Pemanfaatan Energi Kinetik Pada Alat Olahraga Kebugaran Lat Pull

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini akan membahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat.
Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.
Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan
3.1. Mekanik
Pada bagian mekanik ini dimulai dengan tuas yang ditarik oleh pemakai yang akan
menarik dan menggerakkan gear-gear dimana torsi dikuatkan secara mekanis dengan
susunan gear yang akan menentukan kecepatan putar generator. Gambar 3.2 menunjukkan
perancangan mekanik, dan Gambar 3.2 menunjukkan realisasi mekanik.
15
Gambar 3.2. Perancangan Mekanik
Mekanik memiliki dimensi panjang 200 cm, lebar 100 cm, dan tinggi 200 cm.
Dimensi mekanik ini sekaligus menjadi dimensi keseluruhan alat.
Gambar 3.3. Realisasi Mekanik
Pada saat proses penarikan, dengan menggunakan persamaan 2.4, energi potensial
yang dihasilkan alat ini adalah
(3.1)
(3.2)
16
Dimana : m = Massa beban rata-rata (Kg)
g = Gravitasi Bumi (m/det2)
h = Tinggi tarikan (meter)
Pada saat pemakain melakukan proses penarikan, rantai akan memutar tuas cakram
yang ditunjukkan oleh Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Gear Pegas
Dengan melakukan pendekatan, dapat diketahui besarnya energi kinetik pada gear
akibat energi potensial yang dihasilkan ketika tuas mulai ditarik. Ilustrasi pada cakram
ditunjukkan oleh Gambar 3.5.
Gambar 3.5. Ilustrasi pada Gear Pegas
Variabel R merupakan jari-jari cakram, yaitu 7,5 cm. Sedangkan S merupakan jarak
tempuh tuas akibat tarikan dari tuas di mana terukur 50 cm. Dengan persamaan 2.5 maka
akan diperoleh
ϴ=s/r
(3.3)
(3.4)
17
Bila satu tarikan untuk menghasilkan nilai s membutuhkan waktu rata-rata 1 detik,
sebab tiap tarikan pemakai berbeda-beda, maka kecepatan sudut rata-rata dengan
menggunakan persamaan 2.6 adalah
(3.5)
(3.6)
Dimana 1 rpm = 0,1047 rad/detik, maka
(3.7)
Dengan menggunakan rumus perbandingan roda gigi 2.9
(3.8)
(3.9)
(3.10)
(3.11)
Dengan rasio 1 : 5,88 kali, tuas mengalami kesulitan ketika ditarik untuk memutar
gir pegas yang menuju girboks. Maka dari itu diganti dengan gir yang lebih kecil, sehingga
realisasi percepatan girboks adalah
(3.12)
(3.13)
(3.14)
(3.15)
18
Dengan demikian kecepatan akhir setelah girboks adalah
ɷakhir = ɷrat GR
ɷakhir = 6,67 4,41
(3.16)
ɷakhir = 29,4 rad/detik
(3.17)
Berdasarkan persamaan 2.8, dapat dihitung energi kinetik dari mekanik ini sebagai
berikut
Ek = ½ (½ m r2) ω2
Ek = ½ (½ 5 0,22) 29,42
(3.18)
Ek = 43,2 Joule
(3.19)
Dengan mengetahui nilai energi potensial dan kinetik dari mekanik maka efisiensi
mekanik adalah
(3.20)
(3.21)
(3.22)
Dari perhitungan 3.22 didapati bahwa efisiensi mekanik yang dirancang adalah
adalah 29,3%
3.2. Generator
Generator yang akan dibuat pada tugas akhir ini merupakan generator AC, dimana
kumparan tempat terbentuknya GGL merupakan bagian yang diam (stator) dengan magnet
yang bergerak (rotor). Magnet yang digunakan merupakan magnet Neodymium dengan
ketebalan 3 mm dan diameternya 2,5 cm. Magnet ini disusun pada rotor untuk memenuhi
ruangan di tengah kumparan. Realisasi generator ditunjukkan oleh Gambar 3.6(a) dan
3.6(b).
19
(a)
(b)
Gambar 3.6(a). Rotor dan Stator 3.6(b). Realisasi Generator
Stator pada generator ini menggunakan lilitan tembaga dengan diameter 0,25mm.
Diameter penampang kumparan adalah 3,2 cm sehingga luas tiap penampang 8 cm2, terdiri
dari 12 buah kumparan, tiap kumparan 1.500 buah lilitan. Nilai densitas flux magnetik
0,46 Tesla. Kecepatan rotor dari perhitungan 3.17 adalah 20 rad/detik. Dengan persamaan
2.10 akan didapatkan
Ɛ=NBAɷ
Ɛ= 1.500 0,46 (12 8 10-4) 29,4
(3.23)
Ɛ =195,8 volt
(3.24)
20
3.3. Konverter
Modul konverter ini berisi rangkaian-rangkaian yang akan digunakan untuk
mengolah keluaran generator agar dapat dipakai untuk proses penyimpanan energi. Ada 2
bagian konversi dalam modul ini, yang pertama konversi dari tegangan AC menjadi DC
dan konversi tegangan DC menjadi DC. Bagian konverter ini ditunjukkan oleh blok
diagram dalam Gambar 3.7.
Konverter
DC - DC
Konverter
AC - DC
Rangkaian
Pemilih
Konverter
Penaik
Tegangan
(Boost
Converter)
Konverter
Penurun
Tegangan
(Buck
Converter)
(a)
(b)
Gambar 3.7(a). Blok Diagram Konverter 3.7(b). Realisasi Konverter
3.3.1. Konverter AC - DC
Rangkaian ini dimaksudkan untuk mengubah keluaran generator yang berupa
tegangan AC menjadi tegangan DC. Komponen utama dalam rangkaian ini adalah
transfomator dan
dioda schottky yang disusun menjadi penyearah gelombang penuh
sistem jembatan. Penyusunan rangkaian ditunjukkan oleh Gambar 3.8.
1kHz
T1
D1
D4
DC-DC Co
D2
D3
+
Generat
-300/300V
C1
100uF
Gambar 3.8. Penyearah Jembatan Penuh
Tegangan yang dihasilkan oleh generator adalah sekitar 100
atau 300
sampai 600
sampai 220
. Oleh karena itu, dibutuhkan transformator step down untuk
21
menurunkan tegangan menjadi sekitar 12 volt, sebab untuk buck converter membutuhkan
tegangan DC masukan antara 12 volt sampai 30 volt . Dengan perhitungan tegangan
generator yang dihasilkan adalah 202
maka dengan menggunakan persamaan
transformator akan didapatkan tegangan outputnya[14].
(3.25)
(3.26)
(3.27)
Tegangan Primer 110 volt
Tegangan Sekunder 12 volt
Lilitan Primer
Lilitan Sekunder
Dari persamaan 3.27 maka dapat diketahui tegangan outputnya adalah
(3.28)
(3.29)
(3.30)
atau 30
dengan menggunakan persamaan 2.13 dan VF
adalah tegangan buka dioda schotky [15] maka tegangan DC yang dihasilkan adalah
Vdc = 0,636 (VP – 2VF)
Vdc = = 0,636 (30 – 2 x 0,5)
Vdc = 18,5 volt
22
(3.31)
(3.32)
3.3.2. Konverter DC – DC
3.3.2.1. Rangkaian Pemilih
Keluaran generator yang sudah disearahkan tetap mengalami fluktuasi, sehingga
ada kemungkinan daya yang terbuang ketika tegangan keluaran generator lebih besar atau
lebih kecil dari tegangan pengisian aki. Rangkaian ini yang berfungsi untuk memilihkan
secara otomatis apakah tegangan masukan perlu dinaikkan atau diturunkan untuk mencapai
tegangan pengisian aki. Skema rangkaian pemilih ini di tunjukkan oleh Gambar 3.9.
Gambar 3.9. Skema Rangkaian Pemilih
Dalam rangkaian ini, zener dimanfaatkan sebagai regulator rangkaian komparator
dengan membuatnya bekerja pada daerah breakdown voltage. Arus minimum yang
dibutuhkan zener untuk bekerja dipenuhi oleh nilai Rs. Rangkaian zener ditunjukkan oleh
Gambar 3.10.
VAKI1
13.2 - 10.2 v
+V
1K
Rs1
Zener1
MMSZ6V2T1
Gambar 3.10. Rangkaian Zener
23
Perhitungan nilai Rs ditunnjukkan sebagai berikut.
(3.33)
Dengan Izmin=0,25mA tanpa beban dan asumsi arus yang diinginkan 4mA, maka nilai Rs
minimum adalah
(3.34)
(3.35)
Nilai Rs yang harus dipasang adalah 1Kohm.
Pada komparator, yang dibandingkan adalah tegangan masuk dengan refrensi
dengan skala 1:3. Pada tegangan refrensi diberikan nilai 4,6 V yang merupakan 1/3 dari
tegangan pengisian aki yaitu 13,8 V. Tegangan masukan dibuat 1/3 dari nilai aslinya
dengan devider tegangan seperti pada Gambar 3.12.
Ketika tegangan masukan lebih kecil dari tegangan refrensi maka komparator akan
menghasilkan nilai keluaran negatif yang tersambung dengan ground. Keluaran bernilai
low ini akan membuat transistor cut-off sehingga relay tidak aktif. Pada saat relay tidak
aktif maka pin COM(common) pada relay terhubung pada pin NC(Normally Closed). Pin
NC yang terhubung dengan rangkaian penaik tegangan, membuat tegangan DC menuju
kepada rangkaian penaik tegangan yang diwakili oleh label LM 2577 dalam gambar 3.12
untuk diolah lebih lanjut.
Sebaliknya ketika tegangan masukan lebih besar dari tegangan refrensi maka
komparator akan menghasilkan nilai keluaran positif yang tersambung dengan zener.
Keluaran bernilai high ini akan membuat transistor saturasi sehingga relay menjadi aktif.
Pada saat relay aktif maka pin COM pada relay terhubung pada pin NO(Normally Open).
Pin NO yang terhubung dengan rangkaian penurun tegangan, membuat tegangan DC
menuju kepada rangkaian penurun tegangan yang diwakili oleh label LM 2576 dalam
gambar 3.12 untuk diolah lebih lanjut.
3.3.2.2. Konverter Penaik Tegangan
Konverter penaik tegangan (boost converter) dalam perancangan ini menggunakan
IC LM2577-Adj[16]. Konverter ini berfungsi untuk menaikkan tegangan ketika tegangan
24
keluaran generator berada di bawah tegangan refrensi. Rangkaian penaik tegangan yang
telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.11 berikut.
Gambar 3.11. Rangkaian Penaik Tegangan[16]
Arus maksimum keluaran IC ini dapat dihitung dengan persamaan 2.14
ILOAD (max) ≤
ILOAD (max) ≤
ILOAD (max) ≤ 0,53 A
(3.36)
(3.37)
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan persamaan 2.15 VF adalah
bernilai 0,5 volt yaitu, tegangan dioda schotky.[15]
D(max) =
D(max) =
(3.38)
D(max) = 0,79
(3.39)
Nilai minimum induktor untuk kestabilan regulasi dengan persamaan 2.16
E∙T=
E∙T=
(3.40)
E ∙ T = 44,06
25
(3.41)
melalui persamaan 2.17
Kemudian mencari nilai
(3.42)
(3.43)
Dengan melihat grafik pada gambar 2.8 maka didapatkan nilai induktor adalah 68 uH.
Gambar 3.12. Pencarian Nilai Induktor Menggunakan RLCmeter
Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dapat dihitung dengan persamaan
2.18 dan 2.20 sebagai berikut
Rc ≤
Rc ≤
(3.44)
Rc ≤ 6.179 Ohm
(3.45)
Resistor yang digunakan adalah 5.600 Ohm, dengan menggunakan persamaan 2.19
Cc ≥
26
Cc ≥
(3.46)
Cc ≥ 80,6 nF
(3.47)
Nilai Cout berdasarkan persamaan 2.20 dan 2.21 berikut
Cout ≥
Cout ≥
(3.48)
Cout ≥ 794 uF
(3.49)
Dan
Cout ≥
Cout ≥
(3.50)
Cout ≥ 442 uF
(3.51)
Dalam datasheet nilai kapasitas minimum yang diambil adalah yang lebih besar
yaitu 794 uF. Tegangan keluaran dari IC ini dapat dihitung dengan persamaan 2.22 berikut
Vout = Vref (1 +
)
Vout = 1.23V (1 + 20440/2000)
(3.52)
Vout = 13,8 Volt
(3.53)
3.3.2.3. Konverter Penurun Tegangan
Konverter penurun tegangan (buck converter) dalam perancangan ini menggunakan
IC LM2576-Adj[17] . Konverter ini berfungsi untuk menurunkan tegangan ketika tegangan
keluaran generator berada di atas tegangan referensi yaitu tegangan akumulator. Rangkaian
penurun tegangan yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.12 berikut.
27
Gambar 3.13. Rangkaian Penurun Tegangan[17]
Tegangan keluaran pada IC ini didapat dari persamaan 2.23 berikut
Vout = Vref (1 +
)
Vout = 1,23 (1+ 20440 / 2000)
(3.54)
Vout = 13,8 Volt
(3.55)
Untuk nilai minimum induktor dapat dicari dengan persamaan 2.25 berikut
E ∙ T = (30 – 13,8)
∙
(3.56)
E ∙ T = 143,3 Vus
(3.57)
Dengan arus maksimum 1,5 A, maka nilai minimum induktor berdasarkan grafik
pada gambar 2.1 adalah 330 uH.
Nilai minimum dari kapasitor keluaran didapat dari persamaan 2.26 berikut
Cout ≥ 13300
Cout ≥ 87,61 uF
28
(3.58)
(3.59)
3.4. Penyimpanan Energi
Energi listrik yang telah melalui modul konverter telah siap untuk disimpan ke dalam
akumulator. Akumulator yang di pilih merupakan akumulator (aki) kering 12V 5,5Ah
seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.13.
Gambar 3.14. Akumulator Kering
Untuk mengisi akumulator diserikan dengan 2 dioda untuk mencegah adanya
tegangan balik dari akumulator yang masuk ke dalam rangkaian penaik maupun penurun
tegangan.
Gambar 3.15. Skema Penyimpanan Energi
Dengan aki 12V 5,5Ah maka energi total aki ketika penuh adalah.
E aki = 12 V 5,5 Ah
(3.60)
E aki = 66 Wh
(3.61)
3.5. Penerangan
Dengan asumsi aki dalam kondisi penuh(3.61), maka lamanya lampu dapat menyala adalah
Waktu lampu = E aki / P lampu
(3.62)
Waktu lampu = 66 / 2,5
(3.63)
Waktu lampu = 26,4 jam
(3.64)
29
Lampu yang digunakan merupakan lampu led 12V dengan daya 2,5 watt,ditunjukkan
dengan Gambar 3.19 berikut
Gambar 3.16. Lampu LED 2,5 Watt
3.6. Pemandu Otomatis
Pemandu otomatis ini terintegrasi dalam sebuah board yang berukuran cm x cm x cm
yang terdiri atas mikrokontroler, LCD, keypad, sensor RPMmeter, sensor photodiode,
pengatur brightness LCD, dan pengatur buzzer sebagai pengingat.
Gambar 3.17. Keseluruhan Bagian Mikrokontroler
3.6.1. Mikrokontroler
Pada tugas akhir ini mikrokontroler digunakan sebagai pemandu otomatis dalam
melakukan aktivitas fitness pada pusat kebugaran. Dalam aktivitasnya pada satu alat
fitness dilakukan olahraga 3 sampai 4 set. Pada tiap set-nya terdapat diperlebar menjadi 816 tarikan dari 10 tarikan.[3] Selain itu, setiap senggang set terdapat waktu istirahat 1-2
menit.[5]
Prakteknya, ada kesulitan untuk mengingat perhitungan tersebut, sehingga
30
diperlukan pemandu otomatis yang mengingatkan setiap gerakan repetisi, set dan timer
waktu istirahat. Untuk pendeteksi jumlah set yang sudah dilakukan oleh pemakai dibantu
menggunakan sensor photodiode dan LED infrared. Semua pengaturan, perhitungan dan
timer akan di tampilkan pada layar LCD. Kemudian untuk penghematan energi, layar
dibuat otomatis mati, dan ketika ditekan satu tombol khusus, maka LCD akan terang
untuk beberapa saat. Berikut adalah flowchart mikrokontroler.
Gambar 3.18. Flowchart Software Mikrokontroler
Alat mikrokontroler ini juga digunakan untuk menghitung kalori yang dikeluarkan
pada saat berolahraga. Perhitungan kalorinya adalah perkalian dari beban, konstanta
gravitasi, jarak pengangkatan beban, jumlah set dan gerakan. Kemudian hasilnya adalah
dalam satuan joule, dikonversi ke dalam satuan kalori.
Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Mega2560 yang terdiri dari 54
input dan output digital, 16 port analog (ADC), bekerja di tegangan 5 volt, tegangan
masukan 7-12 volt. [16] Yang dibutuhkan dalam tugas akhir ini yaitu 1 input analog, 8
31
input untuk keypad, 6 input untuk LCD, 2 input untuk dan 2 output untuk relay dan
transistor.
Gambar 3.19. Arduino Mega2560
Tabel 3.1. Fungsi Setiap Port
PORT
Fungsi
PORT 2
Input dari Infrared LED RPMmeter
PORT 5
Output sakelar Buzzer
PORT 6
Output sakelar kecerahan LCD
PORT 7-12
Output LCD
PORT 13
Input dari Phototransistor RPMmeter
PORT 23,25,27,29,31,35,37,39
PORT A15
Input dari Scanning Keypad
Input analog, input dari Photodiode
Gambar 3.20. Blok Diagram Mikrokontroler
32
3.6.2. Sensor RPMmeter
Gambar 3.21. Sensor RPM Meter
Sensor RPMmeter digunakan untuk menghitung jumlah putaran generator tiap
menitnya. Tujuannya adalah untuk menghitung efisiensi mekanik maupun menghitung
tegangan dan daya yang dapat dihasilkan generator. Q1 merupakan phototransistor yang
akan menerima rangsangan sinar infra merah dari LED.[17] Sinar tersebut akan terhalang
oleh bagian dari generator yang berputar dengan kecepatan sudut tertentu.
VCC
Microcon
R1
1k
Microcon
D1
LED0
Q1
Gambar 3.22. Rangkaian Sensor RPM Meter
3.6.3. Sensor Photodiode
Gambar 3.23. Sensor Photodiode
Sensor photodiode digunakan untuk menghitung jumlah repetisi. Setiap gerakan
tarikan pemakai akan dihitung. Tuas yang ditarik akan mengangkat kertas hitam yang akan
33
menutupi LED infra merah dan photodiode, dan nilai hambatan photodiode akan berubah,
dan memberikan informasinya ke mikrokontroler.
VCC
5V
+V
R2
100
R1
10k
Microcon
D2
LED0
D1
Gambar 3.24. Rangkaian Sensor Photodiode
3.6.4. LCD
LCD yang dipakai dalam tugas akhir ini adalah LCD Crystal 16 x 2 karakter.
Digunakan ukuran ini dengan maksud untuk memperkecil daya. Pencahayaan LCD
dinyalakan pada saat memasukkan nilai set, repetisi, dan waktu istirahat, kemudian LCD
pencahayaannya dipadamkan. Pemakai dapat mengaktifkan pencahayaan dengan cara
menekan tombol pengaktifannya, dan LCD akan menyala selama 3 detik.
Gambar 3.25. LCD karakter 16 x 2
Terdapat rangkaian yang digunakan untuk menghemat daya tersebut dengan
mengatur pencahayaannya pada gambar 3.25.
34
VCC
5V
+V
R1
10k
+
S1
C2
33uF
Q1
BC108BP
LCD
Gambar 3.26. Rangkaian Pengatur Pencahayaan LCD
3.6.5. Keypad
Keypad yang digunakan adalah keypad 16 tombol. Terdapat 10 tombol angka dari 0
sampai 9, tombol start, backspace, reset, dan enter dijelaskan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2. Fungsi Tombol Keypad
Tombol
Fungsi
0-9
Input nilai angka
A : Start
Untuk mulai dari mode sleep (menu awal)
B : Backspace
Menghapus angka
C : Reset
Kembali ke menu awal
# : Enter
Menuju menu berikutnya
Gambar 3.27. Keypad
35