LAPORAN AKHIR

PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA

JUDUL PROGRAM

“RANCANG BANGUN MACHEAL (MECANICAL CHARGER FOR

HEAD LIGHT ) BERBASIS PIEZOELECTRIC SEBAGAI SUMBER

ENERGI ALTERNATIF YANG EFEKTIF DAN EFISIEN BAGI

PEKERJA TAMBANG”

BIDANG KEGIATAN

PKM-KC

Diusulkan oleh:

Erwin Nizar R 2411031032 Angkatan 2011

Nadhifa Maulida 2110310022 Angkatan 2011

Erna Septyaningrum 2411100015 Angkatan 2011

Wilujeng Fitri Alfiah 2411031026 Angkatan 2011

Ahmadi 2410100085 Angkatan 2010

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2013

ii

LAPORAN AKHIR

PROGRAM KREATIVITAS MAHASISWA

JUDUL PROGRAM

“RANCANG BANGUN MACHEAL (MECANICAL CHARGER FOR

HEAD LIGHT ) BERBASIS PIEZOELECTRIC SEBAGAI SUMBER

ENERGI ALTERNATIF YANG EFEKTIF DAN EFISIEN BAGI

PEKERJA TAMBANG”

BIDANG KEGIATAN

PKM-KC

Diusulkan oleh:

Erwin Nizar R 2411031032 Angkatan 2011

Nadhifa Maulida 2110310022 Angkatan 2011

Erna Septyaningrum 2411100015 Angkatan 2011

Wilujeng Fitri Alfiah 2411031026 Angkatan 2011

Ahmadi 2410100085 Angkatan 2010

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2013

iiii

iii

iii

1 Agustus 2013

1

I. PENDAHULUANI.1 Latar Belakang Masalah

Penggunaan senter kepala sering digunakan di berbagai bidang salah satunya adalah di bidang pertambangan. Sebagian besar penambang yang bekerja di bawah tanah menggunakan alat ini sebagai sumber penerangan. Bahkan mereka yang bekerja di ataspun kadang juga membuat alat ini sebagai sumber penerangan tambahan. Jumlah pekerja tambang Indonesia saat ini cukup besar yaitu lebih dari 646.504 (sumber:www.bappenas.co.id 2010). Itu berarti jumlah penggunaan senter kepala ini juga besar.

Senter kepala ini terdiri dari tiga bagian utama, yaitu lampu senter (LED), baterai dan tali karet yang biasa digunakan untuk mengikatkan lampu tersebut ke kepala penggunanya.Selama ini sumber energi listrik yang digunakan untuk menghidupkan lampu ini adalah batery. Padahal apabila menggunakan bateray alat ini hanya bisa betahan selama 6 samapai 10 jam. Tentunya hal tersebut kurang efektif. Bagaimana jika tiba-tiba lampu senter tersebut mengalami kehabisan bateray di dalam tambang? Tentunya akan mengganggu kinerja pekerja tambang tersebut.Selain itu,mengingat kondisi Indonesia yang tengah mengalami krisis energi, penggunaan bateray saja akan menambah beban penggunaan energi listrik yang digunakan untuk melakukan pengisian ulang energi listrik ke dalam bateray.

Oleh karena itu, perlu adanya sumber energi listrik baru yang dapat melakukan pengisian ulang bateray senter kepala ini. Salah satu hal yang dapat dijadikan solusi untuk mengatasi masalah ini adalah mengubah gerakan pembang menjadi listrik dengan menggunakan pizoelektrik.

I.2 Rumusan MasalahBerdasarkan rumusan masalah tersebut maka rumusan masalah yang dapat

di ambil adalah :1. Bagaimana cara mendapatkan sumber energi alternatif untuk membantu

melakukan pengisian ulang pada bateray sentel kepala ?2. Bagaimana mengubah energi getaran / gerak untuk menghasilkan arus

listrik ?

I.3 Tujuan ProgramBerdasarkan rumusan masalah tersebut, maka tujuan pelaksanaan program

ini adalah :1. Memberoleh sumber energi alternatif untuk membantu melakukan pengisian

ulang pada bateray senter kepala.2. Mampu mengubah energi getaran dan gerak menjadi energi listrik.

I.4 Target LuaranLuaran yang diharapkan dari program ini adalah sebagai berikut :

1. Model Macheal (Mechanical Charger for Head Light) yang membantu mencukupi kebutuhan energi listrik yang diperlukan untuk melakukan pengisian ulang baterai senter kepala yang digunakan oleh para penambang

2. Publikasi Ilmiah

2

I.5 Kegunaan ProgramKegunaan dari program ini adalah sebagai berikut :

1. Membantu menyediakan sumber listrik untuk pengisian ulang bateray senter kepala bagi para pekerja tambang.

2. Membantu menambah lama penggunaan batarey senter kepala3. Membantu meningkatkan kinerja dari para pekerja tambang.

II. METODOLOGI PENDEKATAN PROGRAMBerikut ini adalah diagram alir metode pelaksanaan program :

Gambar 1. Blok Diagram Metode Pelaksanaan

Pra- pengiriman proposal

Pasca- persetujuan proposal

Berikut ini adalah penjelasan flowchart diatas :

1. Tahap Pra Pengiriman ProposalSebelum mengajukan proposal program ini, telah dilaksanakan:a. Studi Literatur

Pada studi literatur persiapan yang dilakukan adalah dengan mengkaji dan mencari bahan yang berkaitan untuk dijadikan dasar teori dalam pembuatan software dan hardware pada sistem ini. Pencarian dilakukan dengan berbagai macam literatur yang berkaitan dengan

Studi Literatur

PerancanganSistem

MonitoringdanUjiCobaSistem

PembuatanHardware

Pembuatanlaporan

3

sistem ini. Study literatur diambil dari buku internet dan referensi lainnya.

2. Tahap Pasca Pengiriman Proposala. Perancangan Sistem

Pada tahap ini, sistem mulai direncanakan dan dirancang. Alat ini dibuat dengan memanfaatkan sensor piezoelektrik yang dapat mengubah tekanan dan getaran menjadi energi listrik. Alat ini menggunakan 6 buah sensor piezoelektrik yang diletakkan pada sol sepatu, siku dan lutut.

Gambar 2 . Sepatu Safety parapenambang Gambar 3. Pelindungsikudanlutut(Sumber

:sepatusafetysurabaya.blogspot.com)(Sumber

:planetcostum.indonetwork.co.id)

Gambar 4. Piezoelectrik Gambar 5. Sepatu dengan piezoelektrik(sumber : spie.org ) (sumber : gizmag.com )

Kemudian sensor-sensor tersebut dihubungkan dengan suatu rangkaian listrik tertentu. Energi listrik yang dihasilkan oleh ke 6 sensor tersebut dihubungkan dengan kabel ke senter yang telah dipasang di kepala. Kabel tersebut dibungkus dengan menggunakan selang bening yang lentur. Berikut ini adalah rancangan alat ini :

4

Gambar 6. Rancangan alat

Gambar 7. Sepatu oglok dengan piezoelektrik

b. Pembuatan HardwarePada tahap ini, dibuat prototype alat sesuai dengan sistem yang

telah dirancang sebelumnya. Sebelum alat dirancang terlebih dahulu disiapkan berbagai perlengkapan dan bahan yang diperlukan dalam pembuatan prototype alat ini.

c. Monitoring dan uji coba sistemPada tahap ini, dilakukan pengujian dan monitoring terhadap

prototype yang telah dibuat. Apabila hasil pengujian belum mendapatkan hasil yang memuaskan, maka akan dilakukan perbaiakan dan akan dilakukan monitoring dan pengujian ulang.

d. Pembuatan LaporanTahap terakhir adalah pembuatan laporan akhir. Pada dilaporkan hasil yang diperolah selama membuat prototype.

III. TINJUAN PUSTAKAIII.1 Piezoelektrik

Piezo dalam bahasa yunani diartikan sebagai tekanan. Piezoelektrik ini untuk pertama kalinya di temukan pada tahun 1880 oleh Curie bersaudara, dan akhirnya pada tahun 1950 piezoelektrik dapat diaplikasikan untuk alat-alat industri setelah memalui proses yang panjang. Sejak itu, pemanfaatan prinsip pengukuran ini telah mengalami pertumbuhan konstan dan dapat dianggap sebagai teknologi yang matang dan telah berhasil digunakan dalam berbagai aplikasi seperti misalnya di medis, aerospace, instrumentasi nuklir dan mobile pad touch screen sebagai sensor tekanan. Efek Piezoelektrik adalah efek dimana terjadi

5

perubahan dari energi mekanik menjadi energi elektrik. Piezoelektrik bekerja jika tekanan yang digunakan untuk Kristal yang terpolarisasi, menimbulkan bentuk mekanik yang berbeda dalam beban elektrik. Prinsipnya adalah pembangkitan ggl bahan Kristal piezo akibat gaya dari luar. Aplikasi dari Kristal piezoelektrik ini dapat digunakan untuk alat-alat yang menghasilkan suara, kecepatan, percepatan, tekanan.

Kristal piezoelektrik termasuk jenis Self Generating Tranduser (Tranduser Pembangkit Sendiri) yaitu transduser yang hanya memerlukan satu sumber energi. Ciri tranduser ini adalah di hasilkannya suatu energy listrik dari tranduser secara langsung. Dalam hal ini transduser berperan sebagai sumber tegangan. Oleh karena itu piezoelektrik juga merupakan tranduser aktif.

Munculnya teknologi piezoelektrik langsung berkaitan dengan serangkaian keuntungan yang melekat. Modulus tinggi elastisitas dari banyak bahan piezoelectric dibandingkan dengan berbagai logam dan naik menjadi 105 N /m². Meskipun piezoelektrik adalah sistem elektromekanis yang bereaksi pada kompresi, unsur-unsur penginderaan defleksi menunjukkan hampir nol. Yang menjadikan karakteristik dari piezoelektrik memiliki frekuensi yang sangat tinggi dan linearitas yang sangat baik terhadap rentang amplitudo yang lebar. Selain itu, teknologi piezoelectric tidak sensitif terhadap medan elektromagnetik dan radiasi, memungkinkan pengukuran di bawah kondisi yang sulit. Beberapa bahan yang digunakan (terutama galium fosfat [2] atau turmalin) memiliki stabilitas suhu lebih ekstrim jangkauan kerja hingga 1000 ° C. Tourmaline menunjukkan Piroelektrisitas di samping efek piezoelektrik, ini adalah kemampuan untuk menghasilkan sinyal listrik saat suhu perubahan kristal.

Gambar 8. Piezoelektrik menghasilkan tegangan ketika terjadi perubahan bentuk.

Salah satu kelemahan dari sensor piezoelektrik adalah tidak dapat digunakan untuk pengukuran statis. Gaya statis akan menghasilkan beban tetap pada bahan piezoelektrik. Saat pembacaan konvensional elektronik bahan isolasi tidak sempurna, dan pengurangan resistansi sensor internal akan mengakibatkan hilangnya electron konstan, dan penurunan sinyal. Temperatur tinggi

6

menyebabkan penurunan resistansi internal dan kepekaan. Efek utama pada efek piezoelektrik adalah bahwa dengan meningkatnya beban tekanan dan temperatur sensitivitas menjadi berkurang.

III.2 Energi GetaranTinjauan untuk kasus getaran harmonis pada ayunan sederhana.

Ketika benda ada di titik P, benda mengalami simpangan terbesar, kecepatan benda nol, sehingga pada titik A energi kinetik sama dengan nol, dan energi potensial = mgh.

Ketika benda ada dititik O, benda berada pada titik kesetimbangnya, kecepatan benda maksimum, sehingga pada titik O energi kinetik =1/2m v2, dan energi potensial = nol.

Ketika benda ada dititik Q, benda mengalami simpangan terbesar, kecepatan benda nol, sehingga pada titik Q energi kinetik sama dengan nol, dan energi potensial = mgh (sama dengan posisi di P).

Jadi pada kasus ini terjadi kekekalan energi mekanik:EMP = EMQ = EMO

Gambar 9. Getaran Tinjauan untuk kasus getaran harmonis pada sistem pegas sederhana

Pada sistem pegas berlaku pula sifat seperti pada sistem bandul matematis. Selanjutnya akan dibuktikan bahwa energi pada benda yang mengalami getaran selaras sederhana adalah kekal.

Energi kinetik benda yang bergetar harmonis: 12

k x2, dan

digunakan persamaan (1.5) untuk fase getaran θ = 0, maka diperoleh:

Ek=12

k A2sin2(ωt+θ)

IV.PELAKSANAAN PROGRAMIV.1. Waktu dan tempat pelaksanaan

Waktu pelaksanaan program ini dimulai pada bulan Maret 2013 yaitu dengan mapping pelaksanaan program kegiatan dilanjutkan hingga bulan Agustus 2012 Pembuatan alat dilakukan di Jurusan Teknik Fisika ITS.

7

IV.2 Tahapan pelaksanaan/Jadwal faktual pelaksanaanTahapan pelaksanaan program penelitian diawali dengan pembagian

tugas masing-masing anggota demi tercapainya kelancaran pelaksanaan program. Pembagian tugas yang dilaksanakan adalah sebagai berikut:

a. Erwin Nizar Rahman : ketuab. Nadifa Maulida : Pembelian dan Keuanganc. Wilujeng Fitri A : Mekanikd. Erna Septyaningrum : Mekanike. Ahmadi : ElektrikSedangkan kegiatan yang telah terlaksana adalah sebagai berikut:

Tabel 1. Kegiatan Terlaksana

NO. KEGIATANBULAN 1 BULAN 2 BULAN 3 BULAN 4 BULAN 5

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

1Studi Literatur

2Perancangan sistem

3Pembuatan Hardware

4Monitoring dan uji coba sistem

BELUM TERLAKSANA

5Pembuatan Laporan

IV.3 Rancangan dan Realisasi BiayaPemasukan

No Pemasukan Jumlah1 ITS Termin 1 Rp 2.000.000, 002 ITS Termin 2 Rp. 3.000.000,00

Pengeluaran

No.

KeteranganJumlah Harga Satuan Jumlah

1Piezo vibration sensor-large with mass

1 Rp 43,500.00 Rp 43,500.00

2 Piezo Buzzer 35 mm30 Rp 2,500.00 Rp 75,000.00

8

3Biaya Pengiriman Piezo Buzzer

1 Rp 9,000.00 Rp 9,000.004 LED 3 mm 5 Rp 500.00 Rp 2,500.005 LED 5 mm 5 Rp 500.00 Rp 2,500.00

6 Kabel engkel 1 x 16 Rp 500.00 Rp 3,000.00

7 Isi Lem Tembak2 Rp 1,000.00 Rp 2,000.00

8 Double side tape1 Rp 3,000.00 Rp 3,000.00

9 Tembak Timah biasa1 Rp 7,000.00 Rp 7,000.00

10 Piezo 27 mm 15 Rp 2,000.00 Rp 30,000.0011 Piezo 20 mm 5 Rp 1,500.00 Rp 7,500.0012 Piezo 35 mm 30 Rp 2,500.00 Rp 75,000.00

13Biaya Pengiriman Piezo Buzzer

1 Rp 16,000.00 Rp 16,000.0014 Dioda 5822 4 Rp 2,000.00 Rp 8,000.00

15 Dioda zener 3v61 Rp 250.00 Rp 250.00

16 Capasitor 0,47 mF/50 v1 Rp 100.00 Rp 100.00

17 Capasitor 100 kp2 Rp 200.00 Rp 400.00

18 Capasitor 47 kp2 Rp 150.00 Rp 300.00

19 PCB matrik 1 Rp 3,500.00 Rp 3,500.0020 LM 317 2 Rp 2,000.00 Rp 4,000.0021 Travo 1 A CT 1 Rp 20,000.00 Rp 20,000.00

22 Capasitor 0,1 mF2 Rp 150.00 Rp 300.00

23 Capasitor 4,7 mF2 Rp 150.00 Rp 300.00

24 Capasitor 1 mF2 Rp 150.00 Rp 300.00

25 VR 5 K 2 Rp 500.00 Rp 1,000.0026 Resistor 1 m 4 Rp 25.00 Rp 100.0027 Resistor 3 k 3 4 Rp 25.00 Rp 100.0028 Resistor 220 4 Rp 25.00 Rp 100.0029 IC 4002 8 Rp 150.00 Rp 1,200.00

30 Term Biru 3 pB2 Rp 2,250.00 Rp 4,500.00

9

31 Resistor 220 4 Rp 25.00 Rp 100.00

32 Super Bright Putih 5 mm15 Rp 300.00 Rp 4,500.00

33 Cetak PCB kertas A45 Rp 300.00 Rp 1,500.00

34 Cetak PCB 1 Rp 24,800.00 Rp 24,800.0035 Head Lamp 1 Rp 18,000.00 Rp 18,000.00

36 Super Bright Putih 5 mm20 Rp 300.00 Rp 6,000.00

37 Sepatu Safety 1 Rp 180,000.00 Rp 180,000.00

38Diskon Piezo Buzzeer 10% 1 Rp 11,250.00 Rp 11,250.00

Jumlah Rp 544,100.00

Sisa Rp 1,455,900.00

V. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dalam pelaksanaan program ini dihasilkan suatu prototype headlight sederhana yang menggunakan piezoelektrik sebagai sumber energi utama. Dalam pembuatan prototype ini, dibutuhkan piezoelektrik yang memiliki permukaan yang luas dan mampu menghasilkan energi yang besar dengan defleksi kecil. Namun, Piezoelectric jenis ini tidak dijual di pasaran Indonesia, sehingga digunakan Piezoelectric buzzer sebagai penggantinya. Piezoelectric buzzer ini hanya menghasilkan tegangan yang kecil dan tidak stabil (0-3 mV). Sehingga prototipe headlight yang dibuat tidak sesuai dengan keinginan.

Selain itu, dibutuhkan pula rangkaian Energy Harvesting LTC 3588 yang sampai saat ini masih belum dapat dipesan karena pemesanan harus dilakukan di luar negeri. Sehingga proses pembuatan terhambat oleh pemesanan rangkauan ini dimana membutuhkan waktu yang lama dan mahal. Rangkaian Energy Harvesting LTC 3588 ini adalah suatu rangkaian penguat dan penyimpan energy yang dihasilkan oleh sensor yaitu Piezoelectric buzzer. Dengan menggunakan rangkain ini, energi yang dihasilkan oleh Piezoelectric dapat disimpan dan dapat dikeluarkan dengan nilai tegangan output yang lebih tinggi sehingga dapat digunakan untuk mengisi ulang batrei Headlight seperti tujuan program yang diharapkan. Berikut ini adalah gambar rangkain piezoelektik, headlightdan rangkaian Energy Harvesting LTC 3588 :

10

Gambar 10. Piezo Energy Harvester with Battery BackupVI. KESIMPULAN DAN SARAN

VI.1 KesimpulanKesimpulan yang dapat diambil dari pelaksanaan Program Kreatifitas

Mahasiswa ini adalah sebagai berikut :a. piezoeletrik dapat digunakan sebagai alternatif untuk membantu

melakukan pengisian ulang pada baterai senter kepala (Headlight). Namun, kelemahan penggunaan piezoelektrik adalah keluarannya yang kecil dan tidak stabil. Selain itu, komponen yang digunakan untuk pembuatan rangkaian penyimpan masih sulit ditemukan di pasaran Indonesia, yaitu rangkaian Energy Harvesting LTC 3588,

b. salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengubah energi gerak menjadi energi listrik adalah dengan menggunakan piezoelektik yang pada umumnya digunakan sebagai sensor.

VI.2 SaranSaran yang diberikan untuk keberlanjutan pengembangan alat ini adalah

sebagai berikut:a. dilakukan penggantian jenis piezoeletrik agar keluaran sesuaib. dirancang rangkaian yang mampu menstabilkan dan meningkatkan

tegangan keluaran piezoelektrikc. dilakukan pembuatan rangkaian penyimpan dengan menggunakan

rangkaian Energy Harvesting ltc 3588d. diharapkan dapat tercipta senter kepala yang menggunakan piezoelektrik

sebagai sumber energi utama

VII.DAFTAR PUSTAKABappenas.”Industri dan Pertambangan”. www.bappenas.co.id ( diakses

September 2012)

11

Giancoli, C. Douglas. 2001. PHYSICS Fifth Edition. Bandung: PT GeloraPiezoelektrik".http://nanudz.blog.uns.ac.id (diakses tanggal 9 September

2012)Pohan, J edwin."Sensor Getaran Penghasil

Listrik".http://green.kompasiana.com (diakses tanggal 9 September 2012)Sears, Zemansky. 1991. Fisika Untuk Universitas Mekanika Panas

Bunyi.Bandung: BinaciptaSerway. 2004. Physics for Scientist and Engineers. Pomona: California State Polytechnic University.Surya, Yohanes. 2001. Fisika Itu Mudah SMU 3B. Tangerang: PT Bina Surya

Daya Mipa.Tri Setyadhani, Riana." Getaran,Bunyi, Listrik?".http://nanudz.blog.uns.ac.id

( diakses tanggal 9 September 2012)

12

Lampiran

13

Gambar 11 Pembuatan Rangkaian Macheal

Gambar 12 Rangkaian Headlamp

Gambar 13 Piezoelektrik Buzzer

14