Post on 29-Dec-2015
BAB II
LANDASAN TEORI
A. Pengertian Pencahayaan
Pencahayaan didefinisikan sebagai jumlah cahaya yang jatuh pada
permukaan. Satuannya adalah lux (1 lm/m2), dimana lm adalah lumens atau lux
cahaya. Salah satu faktor penting dari lingkkungan kerja yang dapat memberikan
kepuasan dan produktivitas adalah adanya penerangan yang baik. Penerangan
yang baik adalah penerangan yang memungkinkan pekerja dapat melihat obyek-
obyek yang dikerjakan secara jelas, cepat dan tanpa upaya-upaya yang tidak
perlu.Penerangan yang cukup dan diatur dengan baik juga akan membantu
menciptakan lingkungan kerja yang nyaman dan menyenangkan sehingga dapat
memelihara kegairahan kerja. Telah kita ketahui hampir semua pelaksanaan
pekerjaan melibatkan fungsi mata, dimana sering kita temui jenis pekerjaan yang
memerlukan tingkat penerangan tertentu agar tenaga kerja dapat dengan jelas
mengamati obyek yang sedang dikerjakan. Intensitas penerangan yang sesuai
dengan jenis pekerjaannnya jelas akan dapat meningkatkan produktivitas kerja
B. Teori Dasar Mengenai Pencahayaan
1. Sifat Gelombang Cahaya
Sumber cahaya memancarkan energi dalam bentuk gelombang yang
merupakan bagian dari kelompok gelombang elektromagnetik. Gambar 2.1
menunjukkan sumber cahaya alam dari matahari yang terdiri dari cahaya tidak
tampak dan cahaya tampak.
Gambar 2.1 Kelompok Gelombang Elektromagnetik
Dari hasil percobaan Isaac Newton, cahaya putih dari matahari dapat
diuraikan dengan prisma kaca dan terdiri dari campuran spektrum dari semua
cahaya pelangi.
Gambar 2.2 Warna-warna Spektrum
Pada gambar 2.2 dapat dilihat bahwa sinar-sinar cahaya yang
meninggalkan prisma dibelokkan dari warna merah hingga ungu. Warna
cahaya ditentukan oleh panjang gelombangnya.
Kecepatan rambat V gelombang elektromagnetik di ruang bebas = 3.
3.105km/det. Jika frekuensi energinya adalah f dan panjang gelombangnya λ
(lambda), maka berlaku :
Panjang gelombang tampak berukuran antara 380mμ sampai dengan
380mμ seperti pada tabel berikut ini.
Tabel 2.1 Panjang Gelombang
Gambar 2.3 menunjukkan gambar grafik energi-panjang gelombang
sebuah lampu pijar 500W.
λ= vf
Gambar 2.4 Energi = Panjang Gelombang = Lampu Pijar 500W
Selain memiliki warna tertentu, setiap panjang gelombang yang
memberi kesamaan intensitas tertentu, dari gambar 2.5 terlihat bahwa mata
manusia paling peka terhadap cahaya dengan λ = 555mμ yang berwarna
kuning-hijau.
Gambar 2.5 Grafik Kepekaan Mata
2. Pandangan Silau
Gambar 2.6 Pandangan Silau
Kalau posisi mata kita seperti gambar diatas, dapat kita rasakan bahwa
kita merasakan pandangan yang menyilaukan karena mata kita mendapatkan :
Cahaya langsung dari lampu listrik, dan
Cahaya tidak langsung / pantulan cahaya dari gambar yang kita
lihat.
Dengan kondisi ini kita tidak dapat melihat sasaran objek gambar
dengan nyaman. Pandangan silau dapat didefinisikan sebagai terang yang
berlebihan pada mata kita karena cahaya langsung atau cahaya pantulan
maupun keduanya. Supaya mata kita bisa melihat sasaran objek dengan
nyaman / jelas, maka diatur sedemikian rupa agar cahaya jatuh pada sasaran
objek dan bukan pada mata kita.
Untuk mencegah terjadinya pandangan silau dipelukan teknik
pemasangan sumber cahaya maupun armaturnya dengan tepat.
3. Satuan-satuan Teknik Pencahayaan
a. Steradian
Gambar 2. 7 Radian
Radian adalah sudut pada titik tengah lingkaran antara dua jari-jari
dimana kedua ujung busurnya jaraknya sama dengan jari-jari tersebut (misal
R = 1cm). Oleh karena keliling lingkaran = 2 πR, maka
Sedangkan steradian adalah sudut ruang pada titik tengah bola antara
jari-jari terhadap batas luar permukaan bola sebesar kuadrat jari-jarinya.
Gambar 2. 8 Steradian
Karena luas permukaan bola adalah 4 πR2, maka di sekitar titik tengah
bola terdapat 4 π sudut ruang yang masing-masing adalah 1 steradian. Jumlah
steradian suatu sudut ruang dinyatakan dengan lambang ω (omega).
1 Radian=360 ˚2 π
=57,3˚
b. Intensitas Cahaya ( Luminous Intensity)
Menurut sejarah, sumber cahaya buatan adalah lilin (candela).
Candela dengan singkatan Cd ini merupakan satuan Intensitas Cahaya (I) dari
sebuah sumber yang memancarkan energi cahaya ke segala arah.
Gambar 2.9 Lilin yang menyinari buku
Keterangan :
I = Intensitas Cahaya (Cd)
F = Fluks cahaya (lumen)
ω= Sudut ruang (steradian)
c. Fluks Cahaya (Luminous Flux)
Adalah jumlah cahaya yang dipancarkan oleh sumber cahaya.
Lambang fluks cahaya adalah F atau ∅ dan satuannya dalam lumen (lm).
Satu lumen adalah fluks cahaya yang dipancarkan dalam 1 steradian dari
sebuah sumber cahaya 1 cd pada permukaan bola dengan jari-jari R – 1m.
ω= A
R2(steradian)
I= Fω
(cd )
Gambar 2.10 Fluks Cahaya
Jika fluks cahaya dikatakan dengan daya listrik maka :
“Satu watt cahaya dengan panjang gelombang 555 mμ sama nilainya dengan
680 lumen.”
Jadi dengan λ = 555 mμ, maka 1 watt cahya = 680 lumen.
d. Luminasi (Luminance)
Adalah suatu ukuran terangnya suatu benda baik pada sumber cahaya
maupun pada suatu permukaan. Luminasi yang terlalu besar akan menyilukan
mata (contoh lampu pijar tanpa amatur).
Luminasi suatu sumber cahaya dan suatu permukaan yang
memantulkan cahayanya adalah intensitasnya dibagi dengan luas semua
permukaan. Sedangkan luas semua permukaan adalah luas proyeksi sumber
cahaya pada suatu bidang rata yang tegak lurus pada arah pandang, jadi bukan
permukaan seluruhnya.
keterangan :
L = Luminasi (cd /m2 ¿
I = Intensitas (cd)
As = Luas semua permukaan (m¿¿2)¿
e. Iluminasi (Iluminance)
Iluminasi sering disebut juga intensitas penerangan atau kekuatan
penerangan atau dalam BSN disebut Tingkat Pencahayaan pada suatu bidang
adalah fluks cahaya yang menyinari permukaan suatu bidang.
Lambang Iluminasi adalah E dengan satuan lux (lx).
Keterangan :
L= 1As
(cd /m2)
E=FA
(lux)
E =Iluminasi/Intensitas penerangan/
kekuatan penerangan/tingkat
pencahayaan (lux)
F = fluks cahaya (lumen)
A = luas permukaan bidang
(m¿¿2)¿
Gamabar 2.11 Iluminasi
f. Efikasi
Adalah rentang angka perbandingan antara fluks cahaya (lumen)
dengan daya listrik suatu sumber cahaya (watt), dalam satuan lumen/watt.
Efikasi juga disebut fluks cahaya spesifik.
Tabel berikut ini menunjukkan efikasi dari macam-macam lampu.
Efikasi ini biasanya didapat pada data katalog dari suatu produk lampu
Tabel 2.2 Daftar Efikasi Lampu
4. Hukum Penerangan
Satuan-satuan penting yang digunakan dalam teknik penerangan antara
lain :
Sudut ruang W Steradian (Sr)
Intensitas cahaya I Candela (cd)
Fluks cahaya F(ϕ) lumen (Lm)
Iluminasi E Lux (lx)
a. Hukum Kwadrat Terbalik
Pada umumnya bidang yang diterangi bukan permukaan bola,
tetapi bidang datar.
Gambar 2.12 Hukum kebalikan kuadrat Iluminasi
Tabel 2.3 Perhitungan Intensitas Penerangan
Cahaya dari sumber 1 cd yang menyinari bidang x (seluas 1 m2)
yang berjarak 1 m akan mengiluminasi 1 lux. Jika kemudian jarak tersebut
dikalikan dua (ke bidang Z), maka iluminasi 1 lux tadi akan menyinari
bidang seluas 4m2. Jadi iluminasi dari suatu permukaan akan mengikuti
hukum kebalikan kwadrat yaitu :
keterangan :
E = Iluminasi (lux)
I = Intensitas penerangan (cd)
r = Jarak dari sumber cahaya ke bidang (m)
b. Hukum cosinus
E= I
r 2
Gambar 2.13 Kurva Cosinus
Sesuai dengan hukum kebalikan kwadrat iluminasi, maka :
Pada titik A :
EA=I
h2
Pada titik B :
EB'= I
r2
Jadi Iluminasi pada titik B :
EB=EB' . cos α
EB=I
r2. cosα
Juka letak titik sumber cahaya diatas bidang = h, maka
r= hcos α
Sehingga
EB=I
( hcos α
)2. cos2 α
Dan secara umum dapat ditulis
EB=I
h2. cos2α
C. Beban Listrik
Menurut sifatnya, beban listrik terdiri dari :
1. Resistor (R) bersifat resistif,
2. Induktor (L) yang bersifat induktif,
3. Capasitor (C) yang bersifat capasitif.
Beban listrik adalah piranti / peralatan yang menggunakan /
mengkonsumsi energi listrik. Jenis beban listrik secara garis besar adalah
sebagai berikut :
1. Untuk penerangan dengan lampu-lampu pijar, pemanas listrik yang
bersifat resistif.
2. Untuk peralatan yang menggunakan motor-motor listrik (pompa air, alat
pendingin/AC/Freezer/kulkas, peralatan laboratorium), penerangan
dengan lampu tabung yang menggunakan balast/trafo bersifat induktif
(lampu TL, sodium, merkuri, komputer, TV, dll).
Jika beban resitif diaktifkan (dinyalakan), maka arus litrik pada beban ini
segera mengalir dengan cepatnya sampai pada nilai tertentu (sebesar nilai arus
nominal beban) dan dengan nilai yang tetap hingga tidak diaktifkan (dimatikan).
Lain halnya dengan beban induktif, misalnya pada motor listrik. Begitu
motor diaktifkan (digerakkan), maka saat awal (start) menarik arus listrik yang
lebih besar )3 sampai 5 kali arus nominal), kemudian turun kembali ke arus
nominal.
Sumber : Teknik Pemanfaatan Tenaga Listrik (hal 53)
Gambar 2.14 Rangkaian macam-macam Beban Sistem 3 fasa, 4 kawat
Jenis beban listrik dalam gedung/bangunan dapat dikelompokkan
menjadi:
1. Penerangan (lighting)
2. Stop kontak
3. Motor-motor listrik
D. Jenis Lampu
1. Lampu TL / lampu Neon
Lampu TL (Fluorescent Lamp) adalah lampu listrik yang
memanfaatkan gas NEON dan lapisan Fluorescent sebagai pemendar cahaya
pada saat dialiri arus listrik. Tabung lampu TL ini diisi oleh semacam gas
yang pada saat elektrodanya mendapat tegangan tinggi gas ini akan terionisasi
sehingga menyebabkan elektron-elektron pada gas tersebut bergerak dan
memendarkan lapisan fluorescent pada lapisan tabung lampu TL.
a. Karakteristik Lampu TL
Karakteristik dari lampu TL ini, adalah mampu menghasilkan
cahaya output per watt daya yang digunakan lebih tinggi daripada lampu
bolam biasa (incandescent lamp).
Sumber : http://elektronika-dasar.web.id/
Gambar 2.15 Karakteristik Lampu TL
Sebagai contoh, sebuah penelitian menunjukkan bahwa 32 watt
lampu TL akan mengjasilkan cahaya sebesar 1700 lumens pada jarak 1
meter sedangkan 75 watt lampu bolam biasa (lampu bolam dengan
filamen tungsten) menghasilkan 1200 lumens. Atau dengan kata lain
perbandingan effisiensi lampu TL dan lampu bolam adalah 53 : 16.
Efisiensi disini didefinisikan sebagai intensitas cahaya yang dihasilkan
dibagi dengan daya listrik yang digunakan
b. Prinsip Kerja Lampu TL
Ketika tegangan AC 220 volt di hubungkan ke satu set lampu TL
maka tegangan diujung-ujung starter sudah cukup utuk menyebabkan gas
neon didalam tabung starter untuk panas (terionisasi) sehingga
menyebabkan starter yang kondisi normalnya adalah normally open ini
akan ‘closed’ sehingga gas neon di dalamnya dingin (deionisasi) dan
dalam kondisi starter ‘closed’ ini terdapat aliran arus yang memanaskan
filamen tabung lampu TL sehingga gas yang terdapat didalam tabung
lampu TL ini terionisasi.
Pada saat gas neon di dalam tabung starter sudah cukup dingin
maka bimetal di dalam tabung starter tersebut akan ‘open’ kembali
sehingga ballast akan menghasilkan spike tegangan tinggi yang akan
menyebabkan terdapat lompatan elektron dari kedua elektroda dan
memendarkan lapisan fluorescent pada tabung lampu TL tersebut.
Perstiwa ini akan berulang ketika gas di dalam tabung lampu TL
tidak terionisasi penuh sehingga tidak terdapat cukup arus yang melewati
filamen lampu neon tersebut. Lampu neon akan tampak berkedip. Selain
itu jika tegangang induksi dari ballast tidak cukup besar maka walaupun
tabung neon TL tersebut sudah terionisasi penuh tetap tidak akan
menyebabkan lompatan elektron dari salah satu elektroda tersebut.
Besarnya tegangan spike yang dihasilkan oleh trafo ballast dapat
ditentukan oleh rumus berikut :
V=Ldidt
Jika proses ‘starting up’ yang pertama tidak berhasil maka
tegangan diujung-ujung starter akan cukup untuk menyebabkan gas neon
di dalamnya untuk terionisasi (panas) sehingga starter ‘closed’. Dan
seterusnya sampai lampu TL ini masuk pada kondisi steady state yaitu
pada saat impedansinya turun menjadi ratusan ohm . Impedansi dari
tabung akan turun dari dari ratusan megaohm menjadi ratusan ohm saja
pada saat kondisi ‘steady state’. Arus yang ditarik oleh lampu TL
tergantung dari impedansi trafo ballast seri dengan impedansi tabung
lampu TL.
Selain itu karena tidak ada sinkronisasi dengan tegangan input
maka ada kemungkinan pada saat starter berubah kondisi dari ‘closed’ ke
‘open’ terjadi pada saat tegangan AC turun mendekati nol sehingga
tegangan yang dihasilkan oleh ballast tidak cukup untuk menyebabkan
lompatan elektron pada tabung lampu TL.
2. Lampu LED
Lampu LED merupakan lampu terbaru yang merupakan sumber
cahaya yang efisien energinya. Ketika lampu LED memancarkan cahaya
nampak pada gelombang spektrum yang sangat sempit, mereka dapat
memproduksi “cahaya putih”. Hal ini sesuai dengan kesatuan susunan merah-
biru-hijau atau lampu LED biru berlapis fosfor. Lampu LED bertahan dari
40.000 hingga 100.000 jam tergantung pada warna. Lampu LED digunakan
untuk banyak penerapan pencahayaan seperti tanda keluar, sinya lalu lintas,
cahaya dibawah lemari, dan berbagai penerapan dekoratif.
Teknologi lampu LED sangat cepat mengalami kemajuan dan
menjanjikan untuk masa depan. Pada cahaya sinyal lalu lintas, pasar yang
kuat untuk lampu LED, sinyal lalu lintas warna merah menggunakan lampu
10W yang setara dengan 196 LEDs, menggantikan lampu pijar yang
menggunakan 150W. Berbagai perkiraan potensi penghematan energi
berkisar dari 82% hingga 93%. Produk pengganti LED, diproduksi dalam
berbagai bentuk termasuk batang ringan, panel dan sekrup dalam lampu LED,
biasanya memiliki kekuatan 2-5W masing-masing, memberikan penghematan
yang cukupberarti dibandingkan lampu pijar dengan bonus keuntungan masa
pakai yang lebih lama, yang pada gilirannya mengurangi perawatan.
Lampu LED, menggunakan Light Emitting Diode sebagai sumber
cahaya. Beberapa keunggulan lampu LED:
Efisiensi yang tinggi: 100 lumen/ Watt.
Kecil
Ketahanan tinggi, tidak mudah pecah.
Daya tahan + 50.000 jam
Bebas Mercury ataupun Halogen, tidak seperti lampu fluorescent
ataupun lampu halogen - HID.Lampu LED adalah lampu solid-state yang menggunakan light-emitting
diode (LED) sebagai sumber cahaya, berumur lebih panjang danmemberikan
efisiensi energi yang tinggi. Teknologi lampu LED berbeda dari teknologi
sebelumnya seperti lampu pijar atau lampu neon lainnya seperti Compact
Fluorescent Light(CFL) atau Tube Lght(TL).
Terdapat 3 jenis penghematan energy yang diberikan oleh teknologi
LED:
a. Pemancar cahaya per watt yang lebih tinggi
Lebih tingginya pemancaran cahaya per watt yang diberikan oleh
LED menjadikannya lebih efisien dibanding CFL. Teknologi LED telah
mendapat perhatian dalam perkembangannya. Saat ini, prototype LED yang
lebih tinggi dari 150 lumen/watt telah di demonstrasikan dan dikembangkan
untuk produksi massal.
Gambar 2.16
b. Penyinaran langsung / penyinaran utuh
Lampu LED memancarkan seluruh cahayanya dalam satu arah
sehingga tidak terjadi inefisiensi seperti pada CFL maupun TL. Hal ini tentu
menghasilkan penghematan energi yang signifikan. Perbandingannya,
lampu LED mampu menghemat hingga 50% energi dibandingkan CFL dan
TL, dan menghemat sampai 90% energi dibandingkan lampu pijar dan
halogen.
c. Pengurangan beban pendingin ruangan
LED tidak memancarkan radiasi panas infra merah. Pengkonsumsian
daya nya yang rendah menghasilkan panas yang rendah pula. Oleh karena
itu LED dapat membantu penghematan energy dalam mengurangi beban
pendingin ruangan (AC).
Gambar 2.17
E. Perbandingan lampu berbasis LED dengan lampu lainnya
Tabel 2. 4 Perbandingan antara Lampu pijar, CFL, LED
Lampu pijar CFL
Daya listrik
(Dengan terang yang sama)60 Watt 18 Watt
Persentase energi yang berubah menjadi cahaya 10-20 % 70-80 %
Katahanan fisik Mudah pecah Mudah pecah
Radiasi Inframerah Ultraviolet
Bahan berbahaya Tidak ada Merkuri
Masa hidup lampu 1000 jam 5000 jam
Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai performa <1 menit 5 menit
Lampu pijar CFL
optimal