HYBRID NOTEBOOK

December 2, 2009 at 10:21 pm 1 comment

tanoto wrote:

HYBRID NOTEBOOK

HYBRID NOTEBOOK

original idea by:  Eko Wahyu Tanoto

1. PENDAHULUAN

Notebook merupakan perangkat elektronik portabel  yang semakin banyak digunakan oleh masyarakat sekarang ini. Notebook menjadi pilihan yang tepat karena konsumsi energinya yang kecil dibandingkan dengan komputer PC dan memiliki mobilitas yang tinggi. Namun, sumber energi notebook masih tergantung pada supply energi listrik dari luar untuk menjalankannya maupun untuk mengisi baterai. Hal inilah yang menjadi masalah ketika notebook harus digunakan di tempat-tempat yang tidak tersedia sumber listrik.

Hybrid Notebook memberi solusi dengan cara membangkitkan energi sendiri yang dapat dimanfaatkan untuk menjalankan notebook itu sendiri maupun untuk mengisi baterai. Hybrid Notebook memanfaatkan getaran pada notebook seperti pada keyboard dan mouse pad, yang kemudian akan mengubahnya menjadi sumber energi listrik. Proses konversi energi ini melalui  single Chip MEMS (Micro Electromechanical Systems)  yang menggunakan prinsip efek Piezoelectric .

2. DASAR TEORI

2.1 MEMS

MEMS, Micro Electromechanical Systems, merupakan integrasi dari elemen mekanik, sensor, actuator, dan komponen elektronik yang dikemas dalam single chip substrate silikon dengan menggunakan mikro-fabrikasi (gambar 1). Microsensor mendeteksi perubahan lingkungan sistem melalui pengukuran mekanik. Microelectronics/ ASIC memproses informasi dan signal, sedangkan microactuator melakukan reaksi dan membuat bentuk perubahan kepada lingkungan.

Gambar 1.a. Skematik Komponen MEMS

mems

Gambar 1.b. Layout Komponen MEMS

Komponen elektronik dipabrikasi dengan menggunakan  tahapan teknologi proses yang biasa digunakan dalam proses pabrikasi IC (Integrated Circuit), sedangkan komponen mekanik dipabrikasi dengan menggunakan teknologi micromachining yang akan membuang bagian wafer silikon yang terseleksi maupun menambahkan layer struktural mekanikal baru.

2.2 Piezoelectric Effect

Material piezoelectric  merupakan salah satu material yang dapat menghasilkan muatan listrik ketika terjadi perpindahan mekanik. Efek piezoelectric terdapat dalam dua domain, yaitu efek piezoelectric langsung (direct piezoelectric effect) dan reverse piezoelectric  effect. Direct piezoelectric effect menggambarkan kemampuan material untuk mengubah tegangan mekanik menjadi muatan listrik, sedangkan reverse piezoelectric  effect (converse piezoelectric  effect) menggambarkan kemampuan material untuk mengubah potensial listrik yang terjadi menjadi energi tegangan mekanik (gambar 2).

Gambar 2. Efek Piezoelectric

Direct piezoelectric effect dapat difungsikan sebagai sensor sedangkan reverse piezoelectric effect dapat difungsikan sebagai aktuator. Sebuah material baru dapat dikatakan sebagai material piezoelectric jika material tersebut mempunyai kemampuan untuk mengubah energi listrik menjadi energi tegangan mekanik dan juga mengubah energi mekanik menjadi muatan listrik. Material piezoelectric yang telah dikembangkan antara lain quartz, BaTiO3, PbTiO3, PZT (Lead Zirconate Titanate), dan PZN-9PT.

Seluruh bahan material piezoelectric mempunyai komposisi dipole listrik (kutub positif dan kutub negatif) yang berorientasi secara random (tidak mempunyai pusat simetri), namun ketika terdapat medan listrik yang sangat kuat, dipole listrik akan mampu untuk menyesuaikan (reorientasi) relatif terhadap medan listrik. Proses tersebut dikenal sebagai poling (pengkutuban). Sesekali medan listrik akan hilang, dipole akan mempertahankan orientasinya dan material dikatakan ter-pole. Setelah proses poling selesai, Material akan menunjukkan efek piezoelectric. Karakteristik mekanik dan listrik dari material piezoelectric dapat dimodelkan dalam dua persamaan linear.  Persamaan ini berisi dua variabel mekanik dan dua variabel listrik.

Direct effect dan converse piezoelectric effect dapat dimodelkan dalam dua persamaan matrik berikut:

Direct Effect :

Converse Effect:

Dimana D menyatakan vektor  perpindahan listrik, T vektor ketegangan mekanik (stress), matrik permitivitas dielektrik pada tegangan mekanik konstan, menyatakan matrik koefisien pemenuhan (compliance) pada kuat medan listrik konstan, S vektor regangan mekanik, d matrik kontanta piezoelektrik, dan E adalah vektor medan listrik. Subscript t menyatakan transposisi dari suatu matrik.

Ketika material mengalami deformasi atau ketegangan, tegangan listrik dapat diperoleh di sepanjang permukaan material (melalui elektroda). Oleh karena itu, properti piezoelectric harus berisi konvensi tanda untuk memfasilitasi kemampuan untuk memperoleh potensial listrik kedalam tiga arah (Gambar 3). Ketiga arah tersebut yang akan menentukan konfigurasi mode operasi pada material piezoelectric. Mode operasi menentukan besarnya koefisien kopling elektromekanik (d). Mode operasi yang umum digunakan pada piezoelectric transducer adalah mode dan mode .

Gambar 3. Konfigurasi Mode Operasi Piezoelectric

3.  PIEZOELECTRIC MEMS POWER GENERATOR

3.1 Electromechanical Getaran Seismic

Konversi energi dari getaran mekanik menjadi daya listrik di dalam sistem mekanik MEMS digambarkan menggunakan elemen massa, redaman, dan pegas (gambar 4) dan dirumuskan oleh persamaan 3.

dimana merupakan pergeseran device keluaran,  pergeseran device input, m massa, koefisien redaman mekanik, koefisien redaman induksi listrik, dan k adalah kekakuan dari perangkat MEMS. Jika sistem disederhanakan sebagai sistem yang redaman pegas linear, konversi daya ke dalam sistem listrik dituliskan dalam persamaan 4.

Perangkat PMPG (Piezoelectric MEMS Power Generator) didesain untuk dapat membangkitkan daya listrik secara maksimum dari sumber getaran yang ada dengan melakukan penyetelan frekuensi resonansi mekanik. Dengan demikian PMPG harus didesain sebagai perangkat seismik.   Frekuensi resonansi besarnya sekitar dimana k adalah kekakuan dan m massa. Frekuensi resonansi dari perangkat PMPG dibutuhkan untuk pengaturan frekuensi getaran yang berubah-ubah yang diakibatkan oleh dimensi beam dan /atau bagian massa yang berpindah.

Gambar 4. Skematik Konverter PMPG

Dengan menggunakan converter daya pada frekuensi resonansi, konversi daya dapat dituliskan:

Dimana , Y adalah magnitude perpindahan dari getaran input, A magnitude percepatan getaran input, dan ratio redaman listrik dan redaman total ( catatan: dan , dan  ).

Untuk mendapatkan  daya yang lebih besar, dibutuhkan sumber getaran yang memiliki frekuensi dan amplitude yang tinggi. Namun dengan adanya sensor seismic pada PMPG, getaran dengan frekuensi dan amplitudo yang rendah sudah dapat menghasilkan energi. Tingkat penurunan perpindahan amplitudo getaran,. Berdasarkan karakteristik dari sumber getaran, apabila terjadi penurunan amplitudo maka akan diikuti dengan peningkatan frekuensi. Namun karena kontribusi penurunan amplitudo getaran input lebih dominan daripada kontribusi peningkatan frekuensinya, maka akan terjadi penurunan daya  yang diperoleh.

3.2 Struktur Perangkat PMPG

Struktur cantilever beam didesain sebagai tiang getar agar dapat menghasilkan regangan pada lapisan tipis piezoelectric. Gambar 5 menunjukkan dua mode piezoelectric yaitu mode dan mode . Terdapat perbedaan arah medan listrik yang arahnya tegak lurus dengan arah regangan input (mode ) atau paralel  (mode ). Hubungan persamaan antara tegangan mekanik (atau regangan x3) dan medan listrik (atau tegangan ) yaitu:

dimana x3 adalah regangan, tegangan open circuit, (V/m) dan (Vm/N) konstanta piezoelectric, dan () adalah jarak atau ketebalan antar elektroda.

Gambar 5. Dua Mode Konversi Piezoelectric

Pada mode , dibatasi oleh ketebalan dari lapisan material piezoelektrik sedangkan pada mode , dapat lebih lebar. Selain itu, magnitude ( dan ) juga memiliki koefisien yang lebih besar daripada magnitude . Dengan demikian, tegangan open circuit pada perangkat PMPG mode juga akan lebih besar ( lebih dari 20 kali dengan menggunakan PZT) dengan menggunakan dimensi beam yang sama.

3.3 Type Beam Piezoelectric Transducer

Pengukuran level getaran yang relatif rendah membutuhkan sensor seismic cukup sensitif. Sensor seismic yang sensitif memungkinkan untuk mendeteksi getaran dengan frekuensi dan amplitude yang rendah. Oleh karena itu, tipe transducer yang dipakai harus sesuai dan cocok untuk diaplikasikan pada sistem MEMS. Tipe beam piezoelectric generator yang dipasang terdiri dari beam metal yang fleksibel yang dilekatkan pada material piezoelectric (gambar 6).

Gambar 6. Tipe Beam Piezoelectric Transducer

4.  APLIKASI PMPG untuk HYBRID NOTEBOOK

Sumber utama getaran pada notebook berasal dari gerakan keyboard, mouse, dan getaran yang berasal dari speaker. Utuk itu perangkat PMPG dipasang pada tempat-tempat  tersebut. Untuk pemasangan pada keyboard, lapisan pada keyboard harus dilapisi perangkat micro-spring yang dapat meningkatkan getaran pada saat keyboard ditekan. Perangkat microspring ini sangat berbeda dengan yang ada pada keyboard sekarang ini yang umumnya menggunakan peredam getaran (gambar 7). Pada hybrid notebook, peredam digantikan dengan microspring dimana perangkat PMPG akan dipasang (gambar 8).

Gambar 7. Lapisan Peredam pada Keyboard Biasa

Gambar 8. Pemasangan microspring pada keyboard

Penggunaan microspring sebagai tempat perangkat PMPG diharapkan dapat memperkecil rasio penurunan amplitudo getaran yang dihasilkan dari keyboard maupun mouse.

Getaran mekanik yang ada kemudian akan dikonversi menjadi daya listrik dengan menggunakan PMPG. Daya listrik yang dihasilkan oleh PMPG kemudian melewati suatu konverter statik  agar dapat disimpan dalam baterai dan kemudian dimanfaatkan untuk supply listrik perangkat notebook (gambar 9). Baterai dilengkapi dengan teknologi switching sehingga baterai tetap dapat disuplai dengan sumber listrik dari luar. Hal ini memungkinkan pengguna tetap dapat menjalankan notebook pada saat tidak sedang mengetik.

Gambar 9. Diagram Pembangkitan Energi pada Hybrid Notebook

5.  KESIMPULAN

PMPG memungkinkan untuk menghasilkan energi listrik  yang cukup untuk menjalankan hybrid notebook. Teknologi MEMS yang dilengkapi dengan sensor seismic dibutuhkan untuk dapat mendeteksi getaran dengan frekuensi dan amplitudo rendah. Proses konversi energi mekanik yang  berupa getaran menjadi daya listrik menggunakan piezoelectric transducer. Hybrid notebook dimungkinkan untuk beroperasi dengan memanfaatkan perangkat yang ada pada notebook itu sendiri.

REFERENCES

[1]. Y.B jeon, R. Sood, J.H Jeong, S-G Kim, “MEMS power generator with transverse mode thin film PZT”, Science Direct, 2005

[2]. Mikko Leinonen, Jaako Palosaari, Jari Hannu, Helli Jantunen, “Piezoelectric energy harvesting for powering low power electronics”, EMPART Research Group of Infotech Oulu, 2009

[3]. E . Minazara, D Vasic, F. Costa,”Piezoelectric Generator Harvesting Bike Vibrations Energy to Supply Portable Devices”,

Advertisements

Entry filed under: Electrical Engineering.

TIKET MURAH

1 Comment Add your own

  • 1. suparwoto  |  May 20, 2011 at 1:18 pm

    Terimakasih info ilmupengetahuannya

    (suparwoto)

    Reply

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Trackback this post  |  Subscribe to the comments via RSS Feed


December 2009
M T W T F S S
« Nov   Oct »
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
28293031  

Pages

Categories

My Tweets

Error: Twitter did not respond. Please wait a few minutes and refresh this page.

Archives

Blog Stats

  • 92,948 hits

%d bloggers like this: