Makalah - Mentransmisikan Daya Tanpa Kabel Dengan Tesla Coil [PDF]

Citation preview

MAKALAH “Pemanfaatan Tegangan Tinggi AC sebagai Transmisi Daya Tanpa Kabel menggunakan Prinsip Tesla coil”



Disusun oleh : Angga Dwiki Wicaksono



165060301111050



Refli Maulana



165060300111038



Ramadhan Khansa Akabari



165060307111027



Muhammad Naufal Harist



1650603



TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA 2018



KATA PENGANTAR Segala puja hanya bagi Allah yang Maha Pengasih lagi Maha Penyayang. Berkat limpahan karunia nikmat-Nya saya dapat menyelesaikan makalah yang berjudul “Pemanfaatan Tegangan Tinggi AC sebagai Transmisi Daya Tanpa Kabel menggunakan Prinsip Tesla coil” dengan lancar. Penyusunan makalah ini dalam rangka memenuhi tugas Open Recruitment Asisten Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi. Dalam proses penyusunannya tak lepas dari bantuan, arahan dan masukan dari berbagai pihak. Untuk itu saya ucapkan banyak terima kasih atas segala partisipasinya dalam menyelesaikan makalah ini. Meski demikian, penulis menyadari masih banyak sekali kekurangan dan kekeliruan di dalam penulisan makalah ini, baik dari segi tanda baca, tata bahasa maupun isi. Sehingga penulis secara terbuka menerima segala kritik dan saran positif dari pembaca. Demikian apa yang dapat saya sampaikan. Semoga makalah ini dapat bermanfaat untuk masyarakat umumnya, dan untuk kami sendiri khususnya.



Malang, 15 November 2018 Penulis



i



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR ...................................................................................... ………… i DAFTAR ISI ..................................................................................................................... ii BAB I ............................................................................................................................. .. 1 I.



LATAR BELAKANG ....................................................................................... .. 1



II.



RUMUSAN MASALAH ..................................................................................... 1



III.



BATASAN MASALAH ....................................................................................... 2



IV.



TUJUAN ..........................................................................................................… 2



BAB II ............................................................................................................................ .. 3 I.



LANDASAN TEORI …........................................................................................ 3



II.



PRINSIP KERJA TESLA COIL……….............................................................. 6



III.



RANCANGAN SISTEM MINIATUR TESLA COIL (MTC) SKALA KECIL .. 8



BAB III ………………………………………………………………………………... 11 I.



KESIMPULAN ………….…............................................................................... 11



II.



SARAN …………………………….................................................................... 13



DAFTAR PUSTAKA ..………………………………………………………………… 14



ii



BAB I PENDAHULUAN I.



LATAR BELAKANG Pada akhir abad ke 18, seorang ilmuan yang bernama Nikolas Tesla memiliki pemikiran tentang bagaimana mentransmisikan tegangan dengan media udara atau dengan kata lain tanpa perantara kabel (wireless). Dari percobaan yang dilakukan tersebut dihasilkan sebuah alat yang dinamakan atas dirinya sendiri, yaitu tesla coil (Tesla Coil). Dengan alat ini Nikola Tesla dapat menghasilkan tegangan yang sangat tinggi, arus yang kecil, frekuensi yang sangat tinggi dan berhasil mengirimkan daya listrik sebesar 1.000.000 volt tanpa melalui suatu kabel sejauh 26 mil untuk menyalakan kurang lebih 200 lampu dan 1 motor listrik. Tesla coil atau tesla coil merupakan alat yang mampu menghasilkan tegangan tinggi mulai dari ribuan Volt sampai jutaan Volt (Habibi,. 2007). Penerapannya teknologi ini memanfaatkan sistem induksi elektromagnetik, yang sudah diterapkan dalam teknologi transformator yang bisa mengirimkan daya listrik dari sebuah lilitan ke lilitan yang lain tanpa menghubungkan kedua lilitan tersebut, akan tetapi memerlukan sebuah inti besi yang berfungsi sebagai tempat berjalannya sebuah aliran induksi elektromagnetik pada transformator tersebut (Zhao ey al., 2013). Dalam kehidupan sehari-hari penggunaan medan magnet lebih aman bagi manusia jika dibandingkan medan listrik, oleh karena itu dalam proses transfer daya listriknya lebih cocok menggunakan induksi magnet (Sulistyo,. 2016). Dalam makalah ini kami akan menjelaskan mengenai prinsip kerja dan rancangan rangkaian dari suatu sistem tesla coil



II.



RUMUSAN MASALAH 1.



Bagaimana prinsip kerja dan cara merancang suatu sistem tesla coil dengan menggunakan tegangan tinggi AC sebagai sumber tegangan ?



2.



Apa pengaplikasian dari suatu sistem tesla coil ?



1



III.



BATASAN MASALAH Dalam makalah ini kita hanya berfokus dalam perancangan suatu sistem kumparan koil dengan tegangan tinggi AC sebagai sumber tegangan dan menjelaskan pengaplikasian sederhana dari suatu sistem tesla coil untuk menyalakan beban sekala kecil berupa lampu.



IV.



TUJUAN 1.



Menjalaskan prinsip kerja dan cara merancang suatu sistem kumpran tesla dengan menggunakan tegangan tinggi AC sebagai sumber tegangan.



2.



Mengetahui pengaplikasian dari suatu sistem tesla coil.



2



BAB II ISI I.



LANDASAN TEORI 2.1.1 Prinsip Induksi Elektromagnetik Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar. Pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan, jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL(gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam didalam kumparan, diujung kumparan tidak terjadi arus listrik.



2.1.2 Penyebab Terjadi GGL Induksi Percobaan Faraday untuk menentukan arus listrik dengan menggunakan medan magnet. Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk kedalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat didalam kumparan, jumlah garis gayagaya magnet yang terdapat didalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garis-garis gaya ini menimbulkan GGL Induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL Induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya magnet listrik dalam kumparan bertambah. Akibat medan magnet, hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya magnet itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi. Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat didalam kumparan berkurangnya jumlah garisgaris gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum gaalvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. Pada saat magnet keluar garis gaya magnet dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan 3



magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya magnet itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi. Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL Induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak. Dari hasil percobaan diatas maka dapat diambil kesimpulan bahwa arus induksi yang timbul dalam kumparan arahnya bolak-balik seperti yang ditunjukkan oleh penyimpangan jarum galvanometer yaitu ke kanan dan ke kiri. Karena arus induksi selalu bolak-balik, maka disebut arus bolak-balik (AC = Alternating Current). Faraday menggunakan konsep garis gaya magnet untuk menjelaskan peristiwa diatas. Perhatikan gambar. 1.



Magnet didekatkan pada kumparan maka gaya magnet yang melingkupi kumparan menjadi bertambah banyak, sehingga pada kedua ujung kumparan timbul gaya gerak listrik (GGL).



2.



Magnet dijauhkan terhadap kumparan maka garis gaya magnet yang melingkupi kumparan menjadi berkurang, kedua ujung kumparan juga timbul GGL.



3.



Magnet diam terhadap kumparan, jumlah garis gaya magnet yang melingkupi kumparan tetap, sehingga tidak ada GGL.



2.1.3 Resonansi Elektromagnetik Resonansi



elektromagnetik



erat



hubungannya



dengan



fenomena



medan



elektromagnet yang juga erat hubungannya dengan proses terjadinya aliran listrik. Radiasi dari medan elektromagnet pada tingkat tertentu dapat menjadi bahaya bagi kelangsungan hidup organisme yang berada didalam jangkauannya. Medan elektromagnet dapat digolongkan dalam medan listrik dan medan magnet. Dan karena medan magnet jauh lebih aman bila dibandingkan dengan medan listrik, maka medan magnet menjadi pilihan yang paling tepat untuk digunakan sebagai media pengiriman energi jika dibandingkan dengan medan listrik dalam pemanfaatannya untuk perpindahan energi secara resonansi elektromagnet.



4



Gambar 2.1 Gelombang Elektromagnetik. Dalam pembangkitan suatu medan elektromagnet, radiasi gelombang elektromagnet yang dihasilkan akan memuat seljumlah energi yang dipancarkan ke lingkungan. Energi ini akan terus terpancar, tidak bergantung pada ada atau tidaknya yang menangkap gelombang tersebut. Apabila terdapat suatu benda yang mampu menangkap radiasi elektromagnetnya, maka benda tersebut akan beresonansi dan akan menerima energi tersebut dan terjadilah perpindahan energi secara resonansi elektromagnetik. Secara umum, sistem resonansi elektromagnetik dengan resonansi frekuensi memiliki kesamaan, yaitu sama-sama memiliki nilai efektif dalam radius tertentu. Apabila di dalam radius efektif tersebut terdapat sumber medan elektromagnet atau penangkap gelombang elektromagnet lain yang memiliki frekuensi resonansi yang sama dengan sistem sebelumnya, maka mereka akan dapat bergabung dengan sistem resonansi elektromagnet yang telah ada dan akan membentuk hubungan resonansi elektromagnet yang lebih besar. 2.1.4 Pembangkitan Tegangan Tinggi AC Dalam membangkitkan tegangan tinggi AC maka digunakan transfomator step-up. Prinsip kerja trafo yaitu dimana pada transformator apabila kumparan primer dialiri arus listrik maka akan timbul sebuah medan magnet disekitar penghantar lilitan primer dan aliran arus akan mengalir dari ujung penghantar keujung yang satunya yang akan menibulkan gaya gerak listrik (GGL) induksi, dimana arah GGL induksi dapat ditentukan dari arah arus listrik yang mengalir pada penghantar tersebut. Yaitu dimana besarnya energy listrik yang timbul berbanding lurus dengan besarnya induksi magnet yang diterima dan besarnya induksi magnet yang diterima berbanding lurus dengan banyaknya lilitan pada kumparan tersebut. dimana dapat diambil kesimpulan bahwa magnet dan listrik sangat berkaitan erat. dalam 5



penerapannya medan magnet lebih aman untuk manusia dibanding medan listrik, sehingga dalam proses transfer energi lebih cocok menggunakan induksi medan magnet.



II.



PRINSIP KERJA TESLA COIL 2.2.1 Prinsip Kerja Tesla Coil Sebuah kumparan Tesla adalah osilator frekuensi radio yang menggerakkan transformator resonansi beralun inti-udara untuk menghasilkan tegangan tinggi pada arus rendah. Rangkaian asli Tesla serta kumparan paling modern menggunakan celah percikan sederhana untuk membangkitkan osilasi dalam transformator yang disetel. Desain yang lebih canggih menggunakan transistor atau thyristor switch atau osilator elektronik



tabung



vakum



untuk



menggerakkan



transformator



resonansi.



Tesla koil dapat menghasilkan tegangan output dari 50 kilovolt hingga beberapa juta volt untuk koil besar. Output arus bolak-balik berada dalam rentang frekuensi radio rendah, biasanya antara 50 kHz dan 1 MHz. Meskipun beberapa gulungan yang digerakkan oleh oscillator menghasilkan arus bolak-balik yang kontinu, sebagian besar kumparan Tesla memiliki output yang berdenyut, tegangan tinggi terdiri dari deretan cepat dari frekuensi radio arus bolak-balik.



2.2.2 Rangkaian Tesla Coil



Gambar 2.1 Rangkaian Sistem Tesla Coil



6



Sirkuit kumparan Tesla spark-excited yang umum, ditunjukkan di bawah ini, terdiri dari komponen-komponen berikut : •



Trafo step up mengubah tegangan AC sumber 220 V PLN menjadi tegangan tinggi 30 kV. Karena muatan belum cukup untuk melompati spark gap, maka arus mengisi kapasitor



•



Ketika kapasitor terisi penuh, arus bergerak meloncati spark gap dan bergerak ke lilitan primer.



•



Lilitan primer yang dialiri listrik bertingkah sebagai induktor dan karena terhubung dengan kapasitor dalam satu rangkaian, membentuk L – C seri



•



Muatan yang melewati lilitan primer bergerak ke kapasitor lagi dan terus bergerak bolak balik dengan frekuensi tertentu yang disebut frekuensi resonansi.



•



Karena lilitan primer membentuk medan magnet setiap kali mendapat muatan, maka sebagian dari energi itu ditangkap oleh lilitan ke 2 dan diubah menjadi listrik lagi



•



Top Load bertingkah sebagai kapasitor dengan toroida dan bumi



•



Rangkaian ini Juga Beresonansi dengan frekuensi tertentu



2.2.3 Bentuk keluaran dari rangkaian 



Unipolar - Salah satu ujung belitan sekunder terhubung ke terminal tegangan tinggi tunggal, ujung lainnya dibumikan. Tipe ini digunakan dalam kumparan modern yang dirancang untuk hiburan. Gulungan utama terletak di dekat bagian bawah, potensi rendah akhir sekunder, untuk meminimalkan busur di antara gulungan. Karena tanah (Bumi) berfungsi sebagai jalur kembali untuk tegangan tinggi, busur streamer dari terminal cenderung melompat ke objek ground yang berdekatan. Gambar disamping merupakan desain dari Unipolar coil yang biasa digunakan pada saat ini. Terminal tegangan tinggi adalah toroida aluminium di bagian atas kumparan sekunder.



Gambar 2.3 Unipolar Coil



7







Bipolar – Tidak ada ujung gulungan sekunder yang dibumikan, dan keduanya dibawa ke terminal tegangan tinggi. Gulungan utama terletak di pusat kumparan sekunder, berjarak sama antara dua terminal potensial tinggi, untuk mencegah lengkung. Bipolar coil, digunakan pada awal abad ke-20. Ada dua terminal output tegangan tinggi, masing-masing terhubung ke salah satu ujung sekunder, dengan celah percikan di antara mereka. Yang utama adalah 12 putaran kawat berat, yang terletak di titik tengah sekunder untuk mencegah busur di antara gulungan.



Gambar 2.4 Bipolar Coil



III.



RANCANGAN SISTEM MINIATUR TESLA COIL (MTC) SKALA KECIL 2.3.1 Prinsip Kerja Sebuah Tesla Coil adalah sebuah kumparan yang dapat menghasilkan medan listrik tegangan tinggi dengan input daya yang kecil (9V), medan listrik tersebut cukup untuk membangkitkan sebuah lampu fluorescent. Miniatur Tesla Coil ini sangat sederhana dan dapat bekerja dengan bantuan baterai 9V dan beberapa komponen untuk dirangkai sehingga sangat sederhana untuk dibuat.



Miniature Tesla Coil yakni tesla coil tiruan dengan tegangan masukan sekitar 9V mampu menyalakan lampu fluorescent karena gelombang elektromagnetik yang dihasilkan Miniature Tesla Coil tersebut akan menggerakkan atom-atom pada lampu fluorescent. Prinsip kerja alat MTC menggunakan kumparan primer dan sekunder yang beresonansi seperti pada trafo, tapi pada kumparan sekunder salah satu ujung bagian atas dipotong dan dilepaskan 8nergy8. Medan elektromagnetik yang dihasilkan oleh kumparan primer akan terinduksikan ke kumparan sekunder. Dari bagian atas kumparan sekunder terdapat logam yang berfungsi menyebarkan gelombang. Kumparan sekunder beresonansi karena salah satu ujung jika frekuensi resonansi kumparan sekunder dan logam cukup dekat dengan frekuensi rangkaian 8



primer maka pada logam akan terbangkitkan tegangan cukup menghidupkan lampu fluorescent. Lampu akan meredup bila kumparan sekunder ditarik keatas dan akan terang jika ditarik kebawah serta mati jika dilepaskan dari kumparan sekunder.



2.3.2 Rangkaian Miniatur Tesla Coil



Gambar 2.5 Rangakaian MTC Sebuah transistor frekuensi tinggi saat ini tinggi seperti 2N2222 digunakan untuk memasok arus melalui kumparan primer (warna ungu). Rangkaian tersebut disupplai oleh baterai 9V seperti yang ditunjukkan di atas. Ujung positif baterai mencapai kolektor Transistor melalui kumparan primer, dan emitor dibumikan. Ini berarti bahwa setiap kali transistor konduksi, arus akan mengalir melalui kumparan primer. LED dan satu ujung kumparan primer juga terhubung ke basis transistor untuk membuat rangkaian berosilasi, dengan cara ini transistor akan mengirim arus berosilasi ke dalam kumparan primer.



Jadi, dengan pengaturan ini kita memiliki kumparan utama yang akan memiliki arus berosilasi, dan karenanya akan menghasilkan fluks magnetik di sekitarnya. Sekarang, kumparan ini melilit kumparan sekunder dan karenanya menurut hukum induksi elektromagnetik tegangan akan diinduksikan dalam kumparan sekunder. Karena jumlah putaran dalam kumparan sekunder sangat besar daripada kumparan primer, tegangan ini akan menjadi tegangan yang sangat tinggi dan karenanya kumparan ini akan memiliki fluks listrik yang sangat kuat di sekitarnya yang cukup kuat untuk menyalakan bola lampu fluorescent normal dan digunakan dalam Transmisi Daya Nirkabel.



9



Gambar 2.6 Lampu Menyala Gambar diatas membuktikan bahwa lampu fluorescent dapat menyala akibat adanya medan listrik disekitar Tesla Coil. Untuk melihat tegangan yang dihasilkan Tesla Coil tersebut dapat diukur dengan multimeter dengan mengukur antara ground dengan medan listrik yang ada disekitar Tesla Coil.



Gambar 2.7 Tegangan Tesla Coil Dapat dilihat bahwa tegangan pada Tesla Coil tersebut sebesar 1247V AC yang dihasilkan dari supplai baterai 9V DC.



10



BAB III PENUTUP I. KESIMPULAN Tesla Coil merupakan salah satu penemuan yang ditemukan oleh Nikola Tesla pada tahun 1891. Tesla Coil mampu menghasilkan tegangan tinggi, arus kecil, frekuensi tinggi listrik AC. Tesla Coil menggunakan prinsip mirip trafo resonansi, prinsipnya mirip seperti trafo tegangan AC pada umunya yang didesain untuk mentransfer energy secara efisien dari kumparan primer ke sekunder. Akan tetapi trafo resonansi juga didesain sebagai penyimpanan sementara 11nergy listrik. Rangkaian Tesla Coil



Gambar 3.1 Rangkaian Sistem Tesla Coil Sirkuit kumparan Tesla spark-excited yang umum, ditunjukkan di bawah ini, terdiri dari komponen-komponen berikut : •



Trafo step up mengubah tegangan AC sumber 220 V PLN menjadi tegangan tinggi 30 kV. Karena muatan belum cukup untuk melompati spark gap, maka arus mengisi kapasitor



•



Ketika kapasitor terisi penuh, arus bergerak meloncati spark gap dan bergerak ke lilitan primer.



•



Lilitan primer yang dialiri listrik bertingkah sebagai induktor dan karena terhubung dengan kapasitor dalam satu rangkaian, membentuk L – C seri



•



Muatan yang melewati lilitan primer bergerak ke kapasitor lagi dan terus bergerak bolak balik dengan frekuensi tertentu yang disebut frekuensi resonansi.



•



Karena lilitan primer membentuk medan magnet setiap kali mendapat muatan, maka sebagian dari energi itu ditangkap oleh lilitan ke 2 dan diubah menjadi listrik lagi



•



Top Load bertingkah sebagai kapasitor dengan toroida dan bumi



•



Rangkaian ini Juga Beresonansi dengan frekuensi tertentu 11



Miniatur Tesla Coil Miniatur Tesla Coil merupakan variasi skala kecil dari sebuah sistem Tesla Coil dengan hanya menggunakan supplai baterai 9V dapat menghasilkan tegangan sampai 1kV lebih dan sedikit mengganti komponen tetapi tidak merubah prinsip dari Tesla Coil pada dasarnya.



Gambar 3.2 Rangkaian MTC Sebuah transistor frekuensi tinggi saat ini tinggi seperti 2N2222 digunakan untuk memasok arus melalui kumparan primer (warna ungu). Rangkaian tersebut disupplai oleh baterai 9V seperti yang ditunjukkan di atas. Ujung positif baterai mencapai kolektor Transistor melalui kumparan primer, dan emitor dibumikan. Ini berarti bahwa setiap kali transistor konduksi, arus akan mengalir melalui kumparan primer. LED dan satu ujung kumparan primer juga terhubung ke basis transistor untuk membuat rangkaian berosilasi, dengan cara ini transistor akan mengirim arus berosilasi ke dalam kumparan primer. Fluks listrik yang sangat kuat di sekitarnya yang cukup kuat untuk menyalakan bola lampu fluorescent normal dan digunakan dalam Transmisi Daya Nirkabel. Hasil dari Percobaan rangkaian diatas :



Lampu fluorescent (CFL) dapat menyala dan tegangan pada Miniatur Tesla Coil mencapai 1247V AC 12



II. SARAN Menyadari bahwa penulis masih jauh dari kata sempurna, kedepannya penulis akan lebih fokus dan details dalam menjelaskan tentang makalah di atas dengan sumber – sumber yang lebih banyak yang tentunya dapat di pertanggung jawabkan.



13



DAFTAR PUSTAKA https://en.wikipedia.org/wiki/Tesla_coil#Resonant_transformer https://www.scribd.com/doc/258992770/Makalah-Mentransimisi-Daya-ListrikTanpa-Kabel https://dokumen.tips/documents/makalah-miniature-tesla-coil.html https://circuitdigest.com/electronic-circuits/how-to-make-a-mini-tesla-coil-9v https://www.youtube.com/watch?v=M-vz82dx6gQ&t=84s



14