BAB 2 Dasar Teori Transfer daya listrik tanpa kabel

Download Skripsi Transfer daya listrik tanpa kabel versi pdf


1. Tinjauan Pustaka

Nikola Tesla, pada awal abad ke 19 mungkin adalah orang pertama yang menemukan dan memperkenalkan konsep pengiriman energi listrik tanpa kabel pada dunia melalui penelitian-penelitian yang dilakukannya. Akan tetapi hal itu kemudian tidak secara otomatis membuat hasil temuannya itu diterima dengan antusias oleh kalangan ilmuwan pada saat itu. Justru sebaliknya, konsep yang ditemukan Tesla saat itu dianggap sebagai sesuatu yang berbahaya bagi organisme kehidupan mengingat efek samping yang bisa ditimbulkan oleh medan elektromagnetik yang dipancarkan bisa menimbulkan berbagai macam penyakit bagi organisme yang dikenainya. Hal itulah yang lambat laun membuat hasil penelitian Tesla secara umum cenderung dilupakan selama puluhan tahun lamanya. Barulah kemudian pada tahun 2007, sekelompok peneliti dari MIT (Massachusetts Institute of Technology) Amerika melakukan penelitian tentang Wireless Power Transfer (Pengiriman Daya tanpa Kabel) dengan menggunakan prinsip yang hampir sama dengan konsep Tesla namun memiliki perbedaan mendasar yakni jika yang diteliti Tesla adalah transfer daya listrik dengan teknik radiasi jarak jauh seperti microwave dan gelombang radio, maka lain halnya dengan MIT yakni menggunakan konsep near field (medan dekat) dengan jarak dekat antara pengirim dan penerimanya. Pada akhirnya, para peneliti tersebut berhasil mentransfer daya listrik tanpa kabel dengan jarak lebih dari 2 meter dan daya sebesar 60 watt, di mana efisiensi nya mencapai 40% (Kurs, 2007). Hasil penelitian inilah yang kemudian menjadi titik balik berkembangnya sistem WPT.

Dua orang peneliti (Sibakoti & Hambleton, 2011), mendemonstrasikan hasil penelitian yang telah dilakukan tentang WPT dan mengklaim telah berhasil mendesain sebuah sistem untuk mentransmisikan daya secara nirkabel dari coil pengirim ke coil penerima yang mana mampu menyalakan sebuah lampu 40 Watt dengan jarak 18 cm antar kumparan.

Selain penelitian-penelitian di atas, seorang peneliti asal Korea Selatan (Hwang, 2011) juga menerbitkan sebuah jurnal yang di dalamnya terdapat prinsip-prinsip dasar dari teknologi WPT ini. Prinsip dasar dari teknologi ini (transfer daya tanpa kabel) menurut Hwang adalah bahwa dua buah kumparan yang terpisah dengan frekuensi resonansi yang sama dapat membentuk sistem resonansi berdasarkan kopling magnetik frekuensi tinggi dan pertukaran daya dalam efisiensi yang tinggi, di mana efek dari kopling ini terhadap benda-benda sekitar cenderung lemah karena bekerja pada frekuensi yang berbeda. Kemudian pada tahun 2012, yang dituangkan dalam tugas akhirnya, Mahasiswa Teknik Elektro UNRAM, telah berhasil mentransfer daya listrik yang kemudian digunakan untuk menyalakan LED dan mengisi daya pada baterai HP Nokia N95 sebagai beban dengan daya pengisian sebesar 2.18 mW dengan jarak 5 cm. Yang mana untuk mendapatkan transfer daya maksimal dengan jarak yang lebih jauh, dapat dilakukan dengan cara memodifikasi dimenasi Coil, menambah jumlah lilitan dan jenis dari bahan induktor yang digunakan serta menambah kapasitas nilai kapasitor pada rangkaian pengirim (Kusuma, 2012).

Transfer daya listrik tanpa kabel juga dikenal dengan istilah WPT (Wireless Power Transfer). Transfer daya listrik nirkabel atau pengiriman energi secara nirkabel adalah proses pengiriman energi dari sumber listrik ke beban listrik tanpa melaui perantara kabel. Transfer energi tanpa kabel ini berpotensi untuk digunakan pada pemenuhan daya peralatan-peralatan elektronik yang membutuhkan daya relatif kecil (Wikipedia.org, 2012). 

2. Transfer daya litrik tanpa kabel

Transfer daya listrik menggunakan media udara ini bisa digunakan untuk menyalurkan energi dimana letak sumber energi dan beban dalam jarak berjauhan. Salah satu keunggulan dari teknologi ini adalah dapat menembus benda-benda yang dilewatinya (kecuali bahan bimetal) sehingga tempat-tempat tertentu yang secara umum tidak memungkinkan untuk dikirimi daya listrik melalui kabel, dapat dijangkau dengan adanya teknologi ini. Tetapi dalam penelitin (MIT, LIPI, dll), WPT masih mengirimkan energi dalam jumlah yang kecil dan pada jarak yang tidak terlalu jauh. Dan aplikasinya pun pada alat-alat yang membutuhkan energi yang relatif kecil.

Gambar 2.1 Kemiripan Prinsip Pada Sistem WPT

Sebagai suatu contoh lain, prinsip induksi pada trafo (Gambar 2.1), dapat mengirimkan daya listrik dari kumparan satu tanpa bersentuhan dengan kumparan yang lain, meskipun jaraknya masih sangat dekat. Selain trafo, prinsip radiasi  elektromagnetik pada gelombang radio juga dapat mengirimkan energi listrik  tanpa kabel, akan tetapi karena efisiensi yang kecil, gelombang radio ini hanya  berperan penting untuk dunia telekomunikasi dalam mengirimkan informasi  dan  tidak dapat digunakan untuk mengirimkan daya listrik dalam jumlah besar  (menggantikan  peran kabel). Ilmuwan juga telah mencoba untuk memusatkan  gelombang elektromagnetik seperti laser (tidak menyebar seperti halnya  gelombang elektromagnetik pada gelombang radio), akan tetapi hal ini juga  belum praktis dan bahkan dapat merusak dan membahayakan umat manusia. Akhirnya ditemukan  suatu  cara  untuk  dapat  mengirimkan  energi  listrik tanpa kabel, yaitu dengan menggunakan prinsip resonansi magnetik, dimana energi ditransfer pada frekuensi yang sama pada pengirim dan penerima, sehingga tidak akan berpengaruh pada benda-benda sekitar yang memiliki frekuensi yang berbeda.

Dalam suatu trafo (Gambar 2.1), arus listrik mengalir ke kumparan primer  dan  menginduksi  kumparan  sekunder,  kedua  kumparan  ini  tidak bersentuhan, akan tetapi  berada  dalam  jarak  yang  sangat  dekat.  Tingkat efisiensi trafo akan sangat berkurang jika kedua kumparan ini dijauhkan. Selain  trafo,  sikat  gigi  elektrik  (Gambar  2.2)  juga  menggunakan  prinsip induksi yang sama dengan trafo, sikat gigi elektrik tersebut akan mengisi ulang baterai jika ditempatkan pada tempatnya.

Tingkat  efisiensi  dari  suatu  induksi  elektromagnetik  dapat ditingkatkan  dengan  menggunakan  rangkaian  resonator.  Cara  ini  biasa disebut  juga induksi resonansi,  yang banyak digunakan alat-alat pada bidang kesehatan. Dengan  menggunakan prinsip ini, telah berhasil dibangun suatu alat yang dapat mentransmisikan daya listrik tanpa kabel, dengan jarak yang jauh berbeda dengan induksi tradisional.

Teknologi dari pengiriman daya listrik tanpa kabel yang dimaksud di  dalam  skripsi  ini  merupakan  teknologi  yang  tidak  berradiasi  dan mengacu  pada  konsep  medan  dekat  (near-field).  Banyak  teknik  lain dalam bidang  pengiriman  energi  listrik  tanpa  kabel  yang  berbasiskan kepada  teknik radiasi,  baik  itu  untuk  keperluan  informasi  seperti gelombang  radio,  sinar laser  (narrow  beam)  dan  gelombang  cahaya. Radiasi  udara  dari  frekuensi pada  gelombang  radio  banyak  digunakan untuk  mengirimkan  informasi  tanpa  kabel  karena  informasi dapat ditransmisikan  ke  segala  arah  untuk  dipakai  oleh  beberapa  pengguna. Daya  yang  diterima  pada  setiap  radio  atau  rangkaian  penerima  tanpa kabel  sangatlah  kecil,  dan  harus  diperkuat  lagi  di  dalam  rangkaian penerima  tersebut  dengan  menggunakan  sumber  listrik  dari  luar  alat  tersebut. Oleh  karena  mayoritas  dari  daya  radiasi  terbuang  dengan percuma  ke  dalam  udara  bebas,  transmisi  radio  ini  sangat  tidak  efisien jika  berfungsi  untuk  mengirimkan  daya  listrik  dengan  jumlah  besar. Untuk  menambah  jumlah  energi  yang  dapat  ditangkap  oleh  rangkaian penerima, maka pada sisi rangkaian pemancar dapat diberikan daya yang lebih  tinggi  pula,  akan  tetapi  hal  ini  tidak  aman  dan  bahkan  dapat mengganggu alat lain yang juga menggunakan frekuensi radio. 

Radiasi  langsung,  menggunakan  antena  yang  diarahkan  secara langsung  dari  sumber  ke  penerima  tanpa  ada  halangan  apapun  untuk menembakkan  energi  menggunakan  frekuensi  radio. Dengan  cara  ini, energi yang dapat diterima oleh rangkaian penerima menjadi meningkat, akan  tetapi  cara  ini  juga  berdampak  langsung  terhadap  organisme  dan dapat  berbahaya.  Oleh  karena  alasan  inilah,  maka  cara  ini  juga  tidak dapat  digunakan  dalam  pengiriman  energi  listrik  dengan  daya  besar seperti untuk industri, ataupun konsumsi peralatan elektronik sehari-hari. Akan  tetapi  dalam  kenyataannya,  hal  ini  masih dipelajari  dan  dieksplorasi terus  untuk  dapat  menembakkan  energi dari  luar  angkasa  ke  bumi menurut konsep “solar space power” (Asimov, 1941), (Gambar 2.3), dan untuk kebutuhan pertahanan  sebagai  senjata  mematikan  yang dapat  menembakkan  energi dari angkasa ke medan peperangan.

Gambar 2.3 Konsep Solar Space Power

Seperti yang telah dijelaskan diatas, konsep pengiriman daya listrik yang dipakai dalam skripsi ini sangat berbeda dengan gelombang radio maupun  radiasi  secara langsung, karena dalam proses pengiriman daya listriknya tidak  memerlukan syarat yang mengharuskan tidak  ada penghalang  diantara  rangkaian  pemancar  dan  rangkaian-rangkaian penerima.

3. Prinsip Induksi Elektromagnetik

Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika  H.C. Oersted (1777-1851) membuktikan bahwa di  sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet  (artinya listrik menimbulkan  magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan  kemagnetan. Tahun 1821  Michael  Faraday (1791-1867) membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat  menimbulkan arus  listrik  (artinya magnet   menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana (Gambar 2.4). 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 menyimpang  ke  kanan  dan  ke  kiri. Bergeraknya 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 di dalam  kumparan,  di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik. 
 
4. Proses Terjadinya GGL Induksi

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan  masuk  ke dalam kumparan, jumlah  garis  gaya-gaya  magnet  yang   terdapat  di dalam 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 memperhatikan arah medan  magnet yang ditimbulkannya.  Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus  induksi bersifat mengurangi  garis  gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah  arus  induksi  seperti yang ditunjukkan Gambar 2.3 (a).

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang  terdapat di dalam kumparan  berkurang.  Berkurangnya  jumlah  garis-garis gaya ini juga  menimbulkan  GGL  induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan  menyebabkan  arus  listrik  mengalir  dan menggerakkan jarum  galvanometer.  Sama  halnya  ketika  magnet  batang  masuk   ke  kumparan.  Pada   saat   magnet   keluar   garis   gaya  dalam   kumparan  berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi  bersifat menambah garis  gaya  itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan  kutub  selatan, sehingga  arah  arus  induksi  seperti  yang ditunjukkan Gambar 2.4 (b).

Ketika  kutub  utara  magnet  batang  diam  di  dalam  kumparan, Gambar 2.4 (c), 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. Jadi,  GGL induksi  dapat  terjadi pada  kedua  ujung  kumparan  jika  di  dalam  kumparan  terjadi  perubahan  jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya  perubahan  jumlah   garis-garis   gaya   magnet dalam kumparan  disebut GGL  induksi.   Arus   listrik   yang   ditimbulkan GGL   induksi  disebut  arus induksi. Peristiwa  timbulnya GGL  induksi dan arus  induksi akibat adanya perubahan  jumlah garis-garis gaya magnet disebut  induksi elektromagnetik.

Percobaan 2.3 Percobaan Faraday

5. Faktor Besarnya GGL

Besar  kecil  GGL  induksi  dapat  dilihat  pada  besar kecilnya    penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum  galvanometer  besar,  GGL  induksi  dan  arus  induksi yang dihasilkan besar. Ada  tiga  faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu :

1. Kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik)
2. Jumlah lilitan (N)
3. Medan magnet (B)

Sebagaimana fluks listrik, fluks magnet juga dapat diilustrasikan sebagai banyaknya garis-garis medan yang menembus suatu permukaan.

Gambar 2.4 Fluks Magnet

Fluks  listrik  yang  dihasilkan  oleh  medan  B  pada  permukaan  yang luasnya dA adalah :

Eksperimen  yang  dilakukan  oleh  Faraday  menunjukkan  bahwa perubahan  fluks  magnet  pada  suatu  permukaan  yang  dibatasi  oleh  suatu lintasan  tertutup  akan  mengakibatkan  adanya  GGL.  Faraday menyimpulkan besarnya GGL yang timbul adalah :

6. Hukum Lenz

Tanda  negatif  pada hukum Faraday berkaitan dengan arah ggl induksi  yang ditimbulkan. Hukum Lenz (1804-1865) menyatakan bahwaarus induksi yang timbul arahnya sedemikia rupa sehingga menimbulkan medan magnet induksi yang melawan arah perubahan medan magnet.

Dari  gambar  2.6 (a) di atas terlihat bahwa  jika  medan  magnet bertambah  (ke atas),  maka akan timbul medan magnet induksi  yang berlawanan arah dengan medan magnet utama (ke bawah), medan induksi ini  akan  menghasilkan  ggl  induksi  pada  kumparan  tersebut  dengan  arah yang disesuaikan dengan aturan tangan kanan seperti Gambar 2.6 (b).

7. INDUKTANSI DIRI

Dari penjelasan tentang hukum Biot-Savart dan hukum Ampere (Jean Baptista Biot (1774–1862), Victor Savart (1803–1862), telah  ditunjukkan  bahwa  adanya  arus  listrik  yang  mengalir  pada  suatu penghantar  menyebabkan  adanya  medan  magnet  di sekitar  penghantar tersebut. Besarnya  medan  magnet  yang ditimbulkan sebanding  dengan besarnya arus listrik yang mengalir, sebagai contoh :

Gambar 2.8 Induktansi Diri

Persamaan (2.8) sampai  dengan  (2.10)  terlihat  bahwa  B sebanding  dengan  I,  dan  karena  dari  persamaan  (2.2)  diperoleh  bahwa  B sebanding  dengan teta ,  maka  fluks  magnet  juga  sebanding  dengan  nilai  I. Oleh karena itu, maka dapat diperoleh tetapan kesebandingan, yaitu : 

Dimana  L  adalah  tetapan  kesebandingan  antara fluks  dan  I  yang dinamakan  induktansi  (diri)  dari  suatu  sistem.  Karena  pada  hukum Faraday,  perubahan  fluks  listrik  dapat  menimbulkan  GGL,  maka persamaan (2.7) dapat dinyatakan dengan :

 8. Induktansi Bersama

Arus   pada  kumparan  1 (Gambar  2.9),  akan  menghasilkan medan  magnet yang fluks magnetnya  akan  mempengaruhi kumparan 2. Jika  berubah, maka medan magnet pada kumparan 1 juga akan berubah, dan  hal  ini  akan  menyebabkan  terjadinya  ggl  induksi  pada  kumparan 2. Ketika  timbul  ggl  induksi  pada  kumparan  2,  maka  arus  akan  mengalir  di kumparan 2  dan  akan  menghasilkan medan magnet pula yang akan mempengaruhi kumparan 1, hal inilah yang dinamakan induktansi bersama (M), yang menurut hukum Faraday besarnya adalah : 

Gambar 2.9 Induktansi Bersama

9. Prinsip Resonansi Elektromagnetik

Fenomena  resonansi sudah secara luas beradadi alam  ini. Perbedaan jenis resonansi juga berisikan energi yang berbeda pula. Suara dari garpu tala  dihasilkan dari suatu resonansi, begitupula dengan suatu gempa bumi dihasilkan dari suatu resonansi, akan tetapi energi dari gempa bumi jauh lebih besar daripada suara garpu tala.

Gambar 2.10 Garpu Tala Beresonansi

Resonansi adalah gejala dari suatu sistem yang dalam  suatu frekuensinya  cenderung  untuk  menyerap  lebih  banyak  energi  dari lingkungan. Dengan  kata  lain,  resonansi  adalah  sebuah  fenomena  dimana jika  suatu objek  atau  benda  bergetar,  maka  benda  lain  dengan  frekuensi yang  sama  akan  ikut  bergetar juga.  Resonansi dapat  mengirimkan energi. Sebagai sebuah contoh sederhana, jika terdapat 2 buah  garpu tala dengan  frekuensi  yang  sama  dan  jarak  yang  cukup,  maka  jika  kita memukul  garpu  tala  A  sehingga  timbul  bunyi,  maka  ketika  kita  menahan garpu  tala  A  sampai  bunyinya  berhenti,  garpu  tala  B  akan berbunyi  juga meskipun  tidak  kita  pukul.  Ini  merupakan  fenomena  resonansi  akustik. Energi yang membuat garpu tala B ini bergetar dihasilkan dari gelombang bunyi dari garpu tala A, media pengirimannya adalah medan bunyi. Dapat dikatakan bahwa inti dari propagansi  getaran  ini adalah  suatu  pengiriman energi. Mirip  dengan  medan  bunyi,  ini  juga  dapat  dimungkinkan  pada medan elektromagnetik.

10. Resonansi Elektromagnetik

Resonansi elektromagnetik ada secara luas di dalam sistem elektromagnetik. Medan elektromagnetik  itu  sendiri  merupakan  bidang energi  yang  dapat memberikan  energi  untuk  digunakan  dalam  proses terjadinya aliran listrik. Mengingat bahaya bagi masyarakat dan organisme lain  di  dalam  medan  listrik,  medan  magnet  yang  aman  dan  lebih  sesuai untuk  digunakan  sebagai  media  pengiriman  energi  dalam  perpindahan energi resonansi secara magnetis.

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat walaupun tidak ada medium dan terdiri dari medan listrik dan medan magnetik seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.11. Radiasi gelombang elektromanetik itu sendiri mengandung energi. Tidak peduli  apakah  ada  penerima  atau  tidak,  energi  dari  gelombang elektromagnetik  itu  secara  terus  menerus  dikonsumsi.  Jika  kita  dapat membuat  suatu  medan  magnetik  non-radiasi  dengan  frekuensi  resonansi tertentu, kumparan induktansi  akan  terus mengumpulkan energi, tegangan receiver akan naik, dan energi yang diterima dapat disalurkan ke beban setelah dikonversi dengan rangkaian tambahan. 

Gambar 2.11 Arah Perambatan Gelombang Elektromagnetik

Secara  umum,  sistem  elektromagnetik  dengan  frekuensi  resonansi sama,  memiliki  kelemahan  dalam  jarak  tertentu.  Dua  sistem  dengan frekuensi  resonansi  yang  sama  akan  menghasilkan  resonansi  magnetik yang  kuat  dan  membentuk  sebuah  sistem  resonansi  magnetik.  Jika  ada lebih  dari  dua  penghasil  resonansi  dalam  rentang  yang  masih  efektif, mereka juga dapat bergabung dengan sistem resonansi  magnetik ini. Satu resonator  dapat  dihubungkan  dengan  pasokan  listrik  terus-menerus  untuk berperan  sebagai  sumber  energi  dan  yang  lainnya  mengkonsumsi  energi, sehingga  sistem  pengiriman  energi  ini  dapat  terwujud.  Dengan  kata  lain, sistem  ini  dapat  mengirimkan  energi  dari  satu  tempat  ke  tempat  lain melalui  medan  magnet  yang  tidak  terlihat  (wireless),  bukan  dengan  cara seperti biasa yang melalui kabel listrik yang dapat dilihat.

11. Prinsip Resonansi Bersama

Prinsip dasar induksi elektromagnetik adalah pada saat arus bolak balik  melewati  suatu  kumparan, di sekitar kumparan tersebut  akan menghasilkan suatu medan magnet. Jika pada  kondisi  ini  diletakkan  suatu  kumparan  lain  di  dekat kumparan tersebut, maka medan magnet dari kumparan yang pertama akan timbul juga di sekitar kumparan yang kedua. Ini merupakan alasan kenapa pengiriman  energi  tanpa  kabel  dapat  terjadi  diantara  kedua  kumparan tersebut.  Sama  seperti  yang  telah  diuraikan  sebelumnya,  resonansi bersama adalah suatu keadaan khusus dari pengiriman energi tanpa kabel. Letak dari kekhususannya adalah semua kumparan yang digunakan untuk beresonansi bersama beroperasi pada kondisi resonansi.

Gambar 2.12 Resonansi Bersama

Resonansi  terjadi  ketika  frekuensi  resonansi  sendiri  dari kumparan-kumparan tersebut bernilai sama dengan frekuensi sumber arus bolak  balik,  saat  rangkaian  ekivalen  dari  kumparan-kumparan  tersebut  di frekuensi tinggi memiliki impedansi paling kecil. Pada saat kondisi seperti inilah energi paling banyak dapat dikirimkan melalui jalur resonansi. Gambar  2.12  menunjukkan  terjadinya  proses  resonansi  magnetik bersama,  warna  kuning  menunjukkan  kumparan  yang  memiliki  frekuensi resonansi yang sama, warna  biru dan merah menunjukkan  medan magnet yang  disebabkan  pada  kumparan  tersebut,  yang  keduanya  adalah  identik satu sama lain, inilah gambaran sederhana dari resonansi bersama.

12. Rangkaian LC

Rangkaian  LC  (Gambar  2.13)  adalah  suatu  rangkaian  resonansi yang  terdiri  dari  induktor  (L)  dan  kapasitor  (C).  Rangkaian  LC  biasa digunakan  untuk  menghasilkan  sumber  arus  bolak  balik  atau  sebagai pembangkit sinyal.

Gambar 2.13 Rangkaian LC

2.5.1 Prinsip Kerja Rangkaian LC

Prinsip  kerja  rangkaian  LC  agar  dapat  menghasilkan  sinyal  bolak balik  atau  berosilasi  adalah  dengan  menggunakan  kapasitor  dan induktor.    Kapasitor  menyimpan  energi  di  dalam  medan  listrik  antara kedua  pelatnya,  berdasarkan  besarnya  tegangan  diantara  kedua  pelat tersebut,  sedangkan  induktor  menyimpan  energi  di  dalam  medan magnetnya,  berdasarkan  besarnya  arus  yang  melalui  induktor  tersebut. Gambar 2.14 menjelaskan tentang prinsip kerja rangkaian LC.

Gambar 2.14 Prinsip Kerja Rangkaian LC

Pada Gambar 2.14 diatas, posisi paling kiri menunjukkan awal, t = 0  atau  t = T,  dimana  nilai  kapasitor adalah  maximum,  dan  tidak  ada  arus mengalir.  Pada  saat  saklar  mulai  ditutup  yaitu  antara  t = 0  sampai  t = T/4, terjadi  rangkaian  tertutup,  kapasitor  mulai  discharge,  dan  arus  mengalir berlawanan arah jarum jam menuju induktor dan terus meningkat.

Pada  kondisi  t = T/4,  kapasitor  bernilai  minimum,  arus  yang mengalir maksimum dan masih berlawanan arah jarum jam.  Dari t = T/4 sampai t = T/2, arus terus mengalir mengisi kapasitor dengan sisi yang berlawanan, dan arus yang mengalir mulai berkurang.

Pada  saat  t = T/2,  tidak ada  lagi  arus  yang  mengalir  di  rangkaian, dan  kapasitor  maksimum.  Dari  t = T/2  sampai  t = 3T/4,  kapasitor  mulai discharge, dan arus mengalir searah jarum jam dan terus meningkat.

Pada  saat t = 3T/4,  kapasitor  sudah  kosong,  arus  mengalir maksimum melewati induktor searah jarum jam.

Dari t = 3T/4 sampai t = T, kapasitor mulai mengisi kembali, arus berjalan menuju kapasitor dengan sisi yang sama dengan sisi awal searah jarum jam dan terus menurun sampai kapasitor penuh.

Hal  ini  terus  berulang  ke  awal,  sehingga  didapatkan  sinyal  yang bolak balik.

2.5.2 Osilasi Rangkaian LC

Gambar 2.15 Osilasi Rangkaian LC

Mengacu  pada  Gambar  2.15,  ketika  saklar  ditutup,  maka  tegangan pada kapasitor dan induktor bernilai sama,

Atur kedua sisi, dan telah kita ketahui bahwa i = -dq/dt, sehingga persamaan 2.19 dapat ditulis,

Jika  kita  beri  batasan  dimana  i  =  0,  saat  t  =  0,  karena  arus (induktor  tidak  dapat berubahsecara langsung), maka kita dapat menentukan nilai dari kapasitansi kapasitor pada saat mengisi yaitu dengan cara mengintegralkan arus (i) dan mengalikan -1, maka diperoleh,

2.6 Struktur Pengiriman Daya Tanpa Kabel

Gambar 2.17 Skema Diagram Pengiriman Daya Listrik tanpa Kabel

Pada  Gambar  2.17  diatas,  ditunjukkan  sebuah  skema  diagram sederhana  dari  suatu  sistem  pengiriman  daya  listrik  tanpa  kabel  dengan menggunakan  prinsip  induksi  resonansi  magnet.  Blok  disebelah  kiri (ditandai dengan garis putus-putus) merupakan suatu rangkaian pemancar, sedangkan  blok  disebelah  kanan  adalah  merupakan  rangkaian  penerima dari sistem tersebut. Pada pemancar, sumber listrik arus bolak balik disearahkan terlebih dahulu dengan suatu modul DC, lalu masuk ke dalam rangkaian LC, dalam hal ini Ls dan Cs, untuk membuat suatu pembangkit sinyal medan magnet bolak balik yang non-radiative. Frekuensi resonansi dari rangkaian LC ini disebut .

Pada sisi rangkaian penerima, juga terdapat rangkaian LC, dimana Lt  dan  Ct  berfungsi  untuk  menghasilkan  resonansi  dari  medan  magnetik yang  dihasilkan  oleh  rangkaian  pemancar  untuk  menerima  daya  listrik. Frekuensi dari rangkaian penerima disebut .

Nilai dari frekuensi resonansi magnet pada sisi penerima  sangat ditentukan  oleh  frekuensi  resonansi  magnet  pada  rangkaian  pemancar. Semakin  nilai  mendekati  atau  sama  dengan   maka  semakin  besar nilai  arus  resonansi,  semakin  kuat  medan  magnetnya  dan  semakin  besar pula daya listrik yang dapat diterima atau dikirimkan.

Pada  rangkaian  penerima  perlu  ditekankan  bahwa  rangkaian  LC tidak harus sama untuk dapat mengirimkan daya listrik, asalkan frekuensi resonansi sama ( = ), maka suatu sistem pengiriman daya listrik tanpa kabel dengan menggunakan induksi resonansi magnet ini juga masih dapat berjalan.

Semakin  jauh  jarak  pengiriman  daya  listrik  dari  rangkaian pemancar  ke  rangkaian  penerima,  maka  semakin  kecil  juga  daya  listrik yang dapat diterima oleh rangkaian penerima.

Proses  pengiriman  daya  listrik  tanpa  kabel  ini  masih  dapat mengirimkan  daya  listrik  meskipun  dihalangi  oleh  berbagai  benda  non-metal, akan tetapi jika dihalangi oleh metal, maka daya listrik tidak dapat diterima oleh rangkaian penerima.