10

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang

dibuat. Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan.

Anak Tangga I Anak Tangga II Anak Tangga III

Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan.

11

3.1. Mekanik

Bagian mekanik pada anak tangga terbagi menjadi 2, yang pertama adalah anak

tangga yang menonjol karena adanya pegas sehingga terbentuk energi potensial yang

kemudian berubah menjadi energi kinetik pada tuas yang terhubung pada gir flywheel.

Bagian kedua dari mekanik adalah gearbox yang menguatkan energi kinetik dari tuas

dan kemudian memutar generator.

Alat yang terealisasi terdiri dari 4 buah anak tangga yang terdiri dari 1 anak

tangga statis tempat rangkaian elektrik dan 3 buah anak tangga dinamis berpegas. Dari

ketiga anak tangga dinamis berpegas, terdapat 2 anak tangga yang saling terhubung

dengan 1 buah generator dan 1 anak tangga yang memiliki generator sendiri. Dilengkapi

dengan tiang lampu setinggi 2 meter. Dimensi keseluruhan anak tangga adalah panjang

50 cm, lebar 100 cm, dan tinggi 72 cm. Anak tangga yang terealisasi ditunjukkan

melalui Gambar 3.2.

Gambar 3.2. Realisasi Keseluruhan Alat

3.1.1 Pegas

Pegas berada pada 4 sudut anak tangga seperti yang ditunjukkan pada Gambar

3.3. Pegas inilah yang akan memberi perbedaan ketinggian yang menghasilkan energi

12

potensial. Ketika anak tangga dipijak, tuas akan memutar gir flywheel seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.4. Energi potensial yang dihasilkan saat anak tangga dipijak

dengan massa 48 kg menurut Persamaan 2.1 adalah

Gambar 3.3. Pegas Pada Sudut Anak Tangga

Gambar 3.4. Tuas Penggerak Flywheel

Gaya gravitasi akan menggerakkan tuas penggerak gir flywheel. Gerakan inilah

yang menghasilkan energi kinetik akibat rotasi benda tegar. Untuk mengetahui berapa

besarnya energi kinetik yang dihasilkan digunakan Persamaan 2.5. Besarnya energi

potensial dari perubahan ketinggian pegas akan sama dengan besarnya energi kinetik

pada flywheel. Diketahui berat dari gir flywheel adalah 138,6 gram dan diameter 5,4 cm.

......................................................... (3.1)

13

.................................................. (3.2)

....................................................... (3.3)

⁄

Apabila 1 rpm = 0,1047 radian / detik, maka diketahui

3.1.2 Gearbox

Terdiri atas sepasang gir, gir yang porosnya terhubung dengan gir flywheel

adalah gir besar bergigi 60. Kemudian gir tersebut menggerakkan gir kecil bergigi 16

yang porosnya merupakan rotor generator. Realisasi susunan gearbox ditunjukkan oleh

Gambar 3.5.

Gambar 3.5. Realisasi Gearbox

Gearbox disusun seperti ini agar dengan putaran awal sedikit mampu

memberikan putaran akhir lebih banyak. Percepatan yang timbul akan memutar rotor

generator lebih cepat dan putarannya juga lebih banyak. Dengan Persamaan 2.6 dan

14

jumlah gigi gir yang digunakan, yaitu gir besar bergigi 60 dan gir kecil bergigi 16 dapat

diketahui rasio gearbox.

Variabel R merupakan jari-jari cakram, yaitu 2,7 cm. Sedangkan S merupakan

jarak tempuh tuas akibat pijakan pada anak tangga dimana terukur 7 cm. Dengan

Persamaan 2.2 maka akan diperoleh

Bila satu pijakan untuk menghasilkan nilai S membutuhkan waktu 0,5 detik,

maka kecepatan sudut rata-rata dengan menggunakan Persamaan 2.3 adalah

Dengan demikian kecepatan akhir gearbox adalah

.................................................. (3.4)

⁄

Dengan menggunakan Persamaan 2.5, energi kinetik dari gearbox adalah

( ) ................................................. (3.5)

( )

15

Setelah diketahui besarnya energi potensial dan kinetik yang didapat dari mekanik anak

tangga, maka efisiensi mekanik adalah

............................................................. (3.6)

Hasil perhitungan menunjukkan bahwa efisiensi mekanik yang dirancang adalah 85%.

3.2. Generator

Generator yang diaplikasikan adalah generator yang didapat dari blok silinder

mesin sepeda motor Suzuki RC 100. Kedua buah generator dibuat memiliki hasil

tegangan keluaran yang berbeda. Generator yang pertama lebih ringan sehingga putaran

yang dihasilkan pada sekali pijakan lebih banyak daripada generator kedua yang lebih

berat putarannya. Rotor dari generator ada kumparan sedangkan bagian statisnya adalah

magnet.

Gambar 3.6. Realisasi Generator

16

Gambar 3.7. Realisasi Multi Generator

Untuk mendapatkan besarnya keluaran yang dihasilkan oleh generator,

dilakukan pengujian tanpa beban. Pengujian dengan cara mengukur tegangan AC yang

dihasilkan generator saat anak tangga dipijak menggunakan multimeter FLUKE 26 III.

Tabel 3.1. Hasil Pengujian Generator I dan II Tanpa Beban

Pengujian ke- Generator I Generator II

Tegangan (VAC) Tegangan (VAC)

1 5,1 4,4

2 5,3 4,5

3 5,0 4,6

4 4,8 4,8

5 5,5 4,5

6 5,3 4,5

7 5,0 5,3

8 5,2 4,6

9 5,3 4,7

10 5,4 4,3

Rata-rata 5,2 4,6

3.3. Konverter

Modul konverter akan mengolah hasil keluaran dari generator untuk kemudian

digabungkan lalu disimpan pada akumulator. Ada 2 bagian konversi dalam modul ini,

yang pertama konversi dari tegangan AC menjadi DC dan konversi tegangan DC

menjadi DC.

17

3.3.1. Konverter AC - DC

Rangkaian ini untuk mengubah keluaran generator yang berupa tegangan AC

menjadi tegangan DC. Komponen utama dalam rangkaian ini adalah dioda schottky

yang disusun menjadi penyearah gelombang penuh sistem jembatan. Dioda 1N5401

digunakan dengan tegangan buka maksimal (Vf) 1,2 volt [6]. Rangkaian konverter AC-

DC ditunjukkan oleh Gambar 2.2.

Dengan menggunakan Persamaan 2.12 dan hasil perhitungan pada Tabel 3.1

maka tegangan DC yang dihasilkan adalah

( ( ))

3.3.2. Konverter DC – DC

3.3.2.1. Konverter Penaik Tegangan

Konverter penaik tegangan (boost converter) digunakan untuk menaikkan

tegangan keluaran generator yang masih dibawah tegangan yang diperlukan untuk

mengisi akumulator. Dalam perancangan ini digunakan IC LM2577-Adj[5]. Rangkaian

penaik tegangan yang telah dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.8 berikut. Untuk

menentukan besarnya nilai komponen yang digunakan, menggunakan pedoman rumus

yang ada di datasheet pada Lampiran 1.

Gambar 3.8. Rangkaian Penaik Tegangan.[5]

18

Arus maksimum keluaran IC ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.9

( )

( )

Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan Persamaan 2.10.

( )

( )

Nilai minimum induktor untuk kestabilan regulasi dihitung dengan Persamaan 2.11

( )

Kemudian mencari nilai melalui Persamaan 2.12

Dengan melihat grafik pada Gambar 2.4 maka didapatkan nilai induktor adalah 68 uH.

Nilai Rc dan Cc yang terhubung dengan pin 1, dapat dihitung dengan Persamaan

2.13 dan 2.14 sebagai berikut

Resistor yang digunakan adalah 5.600 Ω, dengan menggunakan Persamaan 2.14

19

Nilai Cout berdasarkan Persamaan 2.15 dan 2.16 berikut

dan

( ( ))

( ( ))

Menurut datasheet nilai kapasitor minimum yang diambil adalah yang paling

besar yaitu 794 µF. Tegangan keluaran dari IC ini dapat dihitung dengan Persamaan

2.17 berikut

(

)

3.4. Penyimpanan Energi

Energi listrik yang telah disearahkan dan nilai tegangannya sesuai akan disimpan

ke akumulator. Akumulator yang di gunakan merupakan akumulator (aki) kering 12V

5Ah seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.10.

Untuk mencegah adanya tegangan balik dari akumulator yang menuju ke modul

konverter, digunakan dioda yang dipasang seri dengan akumulator. Dengan aki 12V

5Ah maka energi total aki ketika penuh adalah.

....................................................... (3.7)

20

Gambar 3.9. Akumulator Kering

3.5. Penerangan

Sebagai penerangan digunakan lampu LED 12VDC 3W seperti yang

ditunjukkan oleh Gambar 3.11. Diasumsikan akumulator dalam kondisi penuh, maka

lamanya lampu menyala dapat dihitung sebagai berikut

............................................. (3.8)

Gambar 3.10. Lampu LED 3 Watt