Pemanfaatan Energi Kinetik Menjadi Energi Listrik Menggunakan

BAB II
LANDASAN SISTEM
Berikut adalah penjabaran mengenai sistem yang dibuat dan teori-teori ilmiah
yang mendukung sehingga dapat terealisasi dengan baik. Pada latar belakang penulisan
sudah dituliskan bahwa tugas akhir ini akan memanfaatkan energi terbuang saat menaiki
anak tangga kemudian digunakan sebagai sumber energi penerangan. Untuk
merealisasikannya dibuatlah anak tangga berpegas yang dapat memutar generator dan
menghasilkan energi listrik. Anak tangga dibuat berukuran selayaknya anak tangga di
tempat-tempat umum dan mampu menahan beban penggunanya sehingga dapat
diimplementasikan secara nyata.
Berikut adalah penjelasan secara garis besar mengenai mekanik anak tangga yang
dibuat dan sistem elektrik yang digunakan. Anak tangga dapat berubah ketinggiannya
karena adanya pegas, disini terbentuk energi potensial yang kemudian memutar
rangkaian gearbox. Saat gearbox berputar, timbulah energi kinetik akibat dari gerak
rotasi benda tegar dan dipengaruhi juga oleh rasio gearbox. Putaran inilah yang
kemudian meggerakkan rotor dari generator yang menghasilkan energi listrik.
Energi listrik searah yang dihasilkan oleh generator akan diubah menjadi dua
bagian menggunakan konverter AC-DC yang kemudian diperkuat dengan konverter
DC-DC. Konverter DC-DC ini akan menghasilkan tegangan yang cukup untuk mengisi
akumulator kering sebagai media penyimpanan energi. Karena generator yang
digunakan ada 2 buah, maka sebelum mengisi akumulator tegangan keluaran dari
konverter DC-DC akan diseri terlebih dahulu. Hasil akhir dari anak tangga ini adalah
energi yang dapat menyalakan sebuah lampu DC untuk penerangan disekitar anak
tangga. Berikut ini adalah teori-teori yang melandasi sistem yang dibuat.
2.1. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki benda karena kedudukannya. Energi
potensial gravitasi yang dimiliki benda disebabkan oleh ketinggian terhadap suatu titik
3
acuan tertentu. Besar energi potensial gravitasi sebanding dengan massa, percepatan
gravitasi serta ketinggian.
.......................................................... (2.1)
dimana :
= massa (kg)
= percepatan gravitasi (m/s2)
= ketinggian (m)
2.2 Gerak Rotasi Benda Tegar
Gerak rotasi merupakan gerak suatu benda yang berputar terhadap sumbu
putarnya, gerak rotasi ini dibagi menjadi 2 jenis. Yang pertama adalah gerak rotasi
benda tegar sekitar sumbu tetap dan yang kedua adalah gerak rotasi benda tegar sekitar
sumbu bergerak [2]. Pada gerak rotasi benda tegar pada sumbu tetap memiliki besaran
fisika sebagai berikut.
Gambar 2.1. Rotasi Benda Tegar
Posisi sudut (θ) dapat dinyatakan dengan persamaan:
.................................................. (2.2)
di mana s adalah panjang segmen lingkaran yang disapu jari-jari r.
kecepatan sudut rata-rata dapat dinyatakan oleh persamaan
(
⁄
)........................................... (2.3)
Nilai energi kinetik dari sebuah benda yang berotasi adalah
.................................................... (2.4)
Untuk benda tegar I =
, maka energi kinetiknya adalah
4
.............................................. (2.5)
dimana I = momen inersia benda tegar (kg m2)
ω = kecepatan sudut rata-rata (rad/detik)
m = massa benda tegar (kg)
r = jarak dari sumbu rotasi (m)
2.3. Roda Gigi
Roda gigi digunakan untuk memindahkan daya dan kecepatan dengan lebih
mudah ke roda gigi lain yang saling berkaitan. Dengan perhitungan perbandingan roda
gigi yang tepat akan didapatkan perpindahan daya dan kecepatan yang maksimal.
Perbandingan roda gigi dalam kombinasi dapat dihitung dengan prinsip
berikut.[3]
....................................................... (2.6)
dimana :
= Gear Ratio atau rasio gir
= Jumlah roda gigi pada gir yang memutar
= Jumlah roda gigi pada gir yang diputar
2.4. Penyearah Gelombang Penuh
Rangkaian penyearah gelombang penuh terdiri dari empat diode dan satu
kapasitor. Bentuk rangkaian ditunjukkan pada gambar berikut ini:
D1
D2
D3
D4
V1
-1/1V
+
1kHz
C
Gambar 2.2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh
Rectifier jembatan gelombang penuh menghasilkan tegangan keluaran
gelombang penuh, Dioda D1 dan D2 menghantar di atas setengah siklus positif D3 dan
5
D4 menghantar di atas setengah siklus negatif. Dengan kata lain, dioda menghasilkan
tegangan keluaran DC dalam satu periode dari tegangan masukan AC, dengan secara
bergantian menyearahkan tegangan AC pada saat siklus positif dan negatif [4].
Pada prinsipnya, nilai dc penyearah gelombang penuh diperoleh dari :
.......................................................... (2.7)
karena nilai dari = 0,636 , sehingga :
............................................. (2.8)
dimana : VP= Tegangan puncak (volt)
VF = Tegangan buka dioda (volt)
2.5. IC (Integrated Circuit) LM2577-Adj
IC LM2577-Adj[5] merupakan salah satu IC yang berfungsi sebagai regulator
penaik tegangan DC. Susunan pin dari IC ini ditunjukkan oleh Gambar 2.4, dan blok
diagram dari IC ini ditunjukkan oleh Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Blok Diagram IC LM2577-Adj[5]
6
Gambar 2.4. Susunan Pin IC LM2577-Adj[5]
Rangkaian bekerja ketika ada tegangan masukan pada pin 5. Kemudian IC ini
melakukan pensaklaran hidup dan mati pada switch dengan frekuensi 52 kHz, keadaan
ini memunculkan energi pada induktor. Ketika transistor NPN dalam keadaan saturasi,
terjadi pengisian arus induktor sebesar Vin / L dan disimpan di dalam induktor. Saat
transistor cut-off, maka induktor mengalami pengosongan arus melalui dioda menuju
kapasitor keluaran (Cout) dengan nilai (Vout – Vin) / L. Jadi, energi disimpan dalam
induktor saat switch hidup dan dipindahkan ke keluaran saat switch mati. Tegangan
keluaran dikontrol oleh jumlah energi yang dipindahkan yang mana dikontrol pula
dengan memodulasi puncak arus induktor. Hal ini dilakukan dengan mengumpan balik
sebagian tegangan keluaran kepada Error Amp yang menguatkan perbedaan antara
tegangan umpan balik dengan tegangan refrensi yaitu 1,230 V. Tegangan keluaran dari
Error Amp dibandingkan dengan tegangan yang sebanding dengan arus switch yang
merupakan arus induktor saat switch hidup. Komparator akan mematikan switch ketika
tegangannya sama, dengan mengontrol arus puncak switch maka akan didapatkan
tegangan keluaran yang stabil.
Arus maksimum keluaran IC dapat dihitung dengan persamaan berikut.
........................................... (2.9)
dimana :
= Maksimum arus pada beban (A)
= Tegangan masukan minimum (V)
= Tegangan keluaran yang teregulasi (V)
Maksimum duty cycle dihitung dengan persamaan berikut
........................................... (2.10)
dimana VF = 0,5 Volt untuk dioda schottky [6].
7
Nilai minimum induktor dicari dengan persamaan berikut
..................................... (2.11)
........................................... (2.12)
Kemudian dengan persamaan tersebut, dapat dicari nilai induktor minimum dengan
melihat grafik berikut
Gambar 2.5. Grafik Pemilihan Nilai Induktor Pada LM2577[5]
Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dihitung sebagai berikut
......................................... (2.13)
.............................................. (2.14)
Nilai Cout dihitung dengan 2 persamaan berikut
..................................... (2.15)
8
dan
........................... (2.16)
Tegangan keluaran dari IC dihitung dengan persamaan berikut
(
9
) ......................................... (2.17)