Ballast Elektronik pada Lampu Hemat Energi

Ada yang pernah mendengar istilah Ballast Elektronik? Istilah Ballast biasanya sering kita jumpai sepaket dengan pembahasan Lampu Hemat Energi. Teman-teman mungkin sudah banyak yang mengetahui atau mungkin juga sudah ada yang menggunakan lampu hemat energi di rumahnya. Memang lampu jenis ini disebut-sebut akan menjadi salah satu olusi masa depan umat manusia terutama dalam mengatasi permasalahan energi (krisis energi) yang sudah mulai menghantui kita beberapa tahun belakangan.

Namun lampu hemat energi tidak serta merta langsung ditemukan oleh para ilmuan. Sejarah mencatat, lampu listrik pertama kali ditemukan oleh Thomas Alfa Edison pada tanggal 21 Oktober 1879. Prinsip kerja dari lampu listrik tersebut adalah dengan cara menghubung singkat listrik pada filamen carbon ( C ) sehingga terjadi arus hubung singkat yang mengakibatkan timbulnya panas. Panas yang terjadi dibuat hingga suhu tertentu sampai mengeluarkan cahaya, dan cahaya yang didapat pada waktu itu baru mencapai 3 Lumen/W (Lumen = satuan arus cahaya). Selang 50 tahun kemudian, tepatnya tahun 1933 filamen carbon diganti dengan filamen tungsten atau Wolfram yang dibuat membentuk lilitan kumparan sehingga dapat meningkatkan Eficacy lampu menjadi +20 Lumen/W. Sistem pembangkitan cahaya buatan ini disebut sistem pemijaran (Incandescence). Saat itu, lampu menjadi primadona dan teknologinya berkembang sangat pesat. Pada tahun 1910 pertama kali digunakan lampu luah (discharge) tegangan tinggi. Prinsip kerja lampu ini menggunakan sistem emisi (elektron yang bergerak dari Katoda menuju Anoda pada tabung lampu akan menumbuk atom) atom media gas yang ada di dalam tabung tersebut, akibat tumbukan tsb akan terjadi pelepasan energi dalam bentuk cahaya. Sistem pembangkitan cahaya buatan ini disebut Luminescence (berpendarnya energi cahaya keluar tabung). Pada era berikutnya telah dikembangkan lampu pijar dengan sistem induksi magnet yang mempunyai umur paling lama dari lampu-lampu jenis lain + 60.000 jam. Namun hal ini masih dalam tahap penelitian guna mendapat nilai ekonomi yang lebih baik (benefit/cost ratio). Untuk sistem penerangan dekade 90-an yang banyak digunakan oleh masyarakat umum saat ini adalah jenis lampu fluorescent kompak model SL atau PL dan lampu ini yang kita kenal sebagai lampu hemat energi (LHE).

Ballast Elektronik

Ballast elektronik adalah konverter elektronika daya yang fungsinya untuk mensuplai discharge lamp. Ballast elektronik mulai popular setelah berkembangnya mosfet yang berdaya besar dan harga relatif murah. Dengan perkembangan mosfet ini membuat pemakaian ballast elektronik menjadi lebih mudah[1]. Ballast elektronik banyak digunakan pada lampu hemat energi. Ini dikarenakan ballast elektronik mempunyai keunikan yang khusus, yaitu sistem bekerjanya yang tidak lagi menggunakan kumparan kawat pada inti besi tetapi menggunakan sistem rangkaian elektronik. Hal ini menyebabkan losses yang terjadi pada kumparan menjadi hilang, meskipun ada sedikit losses karena rangkaiannya.

sumber gambar kiri dan kanan

Bentuk paling sederhana dari ballast sering berbentuk ballast magnetik, yang mana bekerja seperti induktor. Apabila arus listrik dilewatkan ke suatu kumparan, maka akan timbul medan magnet. Dengan menyusun kawat konduktor membentuk kumparan yang konsentrik, medan ini akan lebih kuat.

Medan magnet yang timbul ini tidak hanya mempengaruhi ruang di sekitar kumparan, akan tetapi kumparan itu sendiri juga mendapat pengaruh medan magnet ini. Saat kita memperbesar arus pada kumparan, akibatnya medan magnet yang timbul akan semakin besar. Hal ini akan membuat adanya tegangan yang arahnya berlawanan dengan arah aliran arus listrik pada kumparan. Dengan kata lain, induktor ini akan melawan penaikan arus yang melewatinya. Trafo dalam ballast lampu menggunakan prinsip ini dalam operasinya.

Dalam operasinya, mekanisme kerja dari lampu ballast sebagai berikut:

• Tegangan AC dari PLN akan disearahkan dengan menggunakan bridge yang nantinya tegangan tersebut akan disimpan pada kapasitor bank (C). Kapasitor bank ini akan menjadi sumber tegangan DC untuk lampu hemat energi.
• Untuk mencegah terjadinya tegangan transient dari tegangan masukan PLN maka digunakan filter. Selain itu filter juga berfungsi untuk meredam berbagai sumber noise electromagnetik interference yang disebabkan oleh frekuensi tinggi pada tabung lampu hemat energi. Filter ini dapat berupa rangkaian kapasitor maupun induktor.
• Saat rangkaian dihidupkan maka tabung lampu hemat energi akan mempunyai impedansi yang sangat besar. Impedansi ini menyebabkan kapasitor 1 akan mengalami seri dengan kapasitor 2 dan induktor (lihat gambar diatas bagian boost converter).
• Tegangan yang sangat besar akan muncul akibat resonansi. Tegangan yang dihasilkan ini dapat digunakan untuk mengionisai gas yang berada di dalam tabung lampu hemat energi.
• Saat tabung lampu hemat energi mengalami ionisasi penuh, maka impedansi pada lampu akan turun cukup jauh. Hal ini menyebabkan rangkaian harus membuang muatan pada kapasitor 1. Akibat ini pula frekuensi resonansi akan tergeser dengan nilai yang akan ditentukan oleh kapasitor 2 dan induktor.
• Energi yang dipakai tersebut menjadi lebih kecil begitu pula dengan tegangan di antara elektroda menjadi lebih kecil. Kondisi ini akan mengakhiri kondisi startup lampu hemat energi ini dan lampu akan menyala.

sumber gambar kiri dan kanan

Seperti lampu natrium, lampu TL mempunyai efisiensi yang tinggi sehingga dapat menghemat konsumsi listrik. Karakteristiknya ialah ketika saklar dinyalakan, TL memerlukan waktu tunggu sebelum terang sepenuhnya. Tetapi kemudian orang mengganti balast konvensional pada lampu dengan sistem penyala elektronik. Hasilnya menjadi lebih cepat terang, tidak berkedip-kedip dulu. Porsi listrik yang termanfaatkan sebagai cahaya pun bertambah. Di sisi lain, tabungnya dibuat tidak panjang tetapi ditekuk atau digulung seperti spiral sehingga lebih ringkas dan praktis. Jenis lampu ini dikenal sebagai “lampu hemat energi” (CFL, compact fluorescent lamp).

Perhatikan bahwa TL maupun CFL mengandung merkuri yang beracun. Kita perlu berhati-hati dengan kedua jenis lampu ini. Jika sampai terjatuh dan pecah, lokasinya harus segera dijauhi, pintu dan jendela dibuka lebar setidaknya selama 15 menit untuk membersihkan udara. Dibandingkan lampu pijar yang terangnya sama, CFL memang lebih mahal. Tetapi ongkos setrumnya lebih rendah, lagi pula usianya lebih panjang, sehingga harga pembelian cenderung impas. Yang penting, penghematan energi terjadi, dan ini adalah isu utama yang mendorong sejumlah negara untuk beralih ke CFL [2].

Keuntungan Menggunakan Ballast Elektronik

Trafo dalam ballast ini berfungsi sebagai trafo arus. Trafo arus ini berfungsi untuk mengukur arus listrik yang melewatinya, jika arus yang melewatinya melebihi batas yang ditetapkan, maka trafo arus ini akan membuang kelebihan arus listrik ke komponen lain di sekitarnya. Dengan prinsip ini, arus listrik yang disuplai ke filamen penyala lampu menjadi konstan. Sebab hal inilah yang diharapkan pada lampu, besar arus listrik mempengaruhi terang-redupnya lampu, dengan arus listrik yang konstan, maka tingkat terangnya lampu dapat dijaga konstan, sehingga tidak timbul flicker (nyala kedip-kedip redup). Hal inilah yang membedakan antara lampu biasa dengan lampu hemat energi. Lampu hemat energi dapat meminimalisir penggunaan daya yang optimal dengan adanya ballast tersebut.

Yang menentukan besarnya tagihan listrik adalah jumlah dan lama pemakaian alat listrik di rumah. Begitu juga dengan lampu. Dibandingkan dengan alat elektronik lain, konsumsi energi lampu termasuk kecil. Namun juga jumlahnya banyak dan digunakan dalam waktu lama, lampu juga dapat menjadi penyebab naiknya tagihan listrik. Rangkaian ballast elektronik merupakan pengganti dari trafo ballast dan memiliki efisiensi daya yang jauh lebih baik dari pada ballast trafo. Rangkaian ballast elektronik digunakan pada lampu TL hemat energi, sebagai contoh nilai efisiensi daya yang dihasilkan dari penggunaan rangkaian ballast elektronik ini dapat dilihat pada lampu hemat energi dengan konsumsi daya listrik 15 watt mampu menghasilkan intensitas cahaya setara lampu pijar 80 watt.

Kelebihan Ballast Elektronik

• Konsumsi arus sangat kecil (0,15 - 0,2 Amp/40W). Penghematan hampir 3 kali dibanding dengan ballast konvensional.

• Lampu tidak berkedip

Ini dikarenakan Ballast Elektronik beroperasi pada frekuensi tinggi yang konstan sehingga tidak memberikan kesempatan pada lampu neon untuk padam selama satu gelombang putaran. Lampu neon yang beroperasi pada 50/60 Hz akan padam dua kali setiap 1 gelombang putaran, yaitu pada saat gelombang sinus mencapai titik nol. Hal inilah yang menyebabkan lampu neon terlihat berkedip, dengan ballast elektronik hal ini dapat diantisipasi.

• Tidak perlu Starter

Dengan beroperasi pada frekuensi tinggi yang langsung membuat kedua filamen elektroda berpijar maka alat starter tidak diperlukan lagi.

• Tidak ada suara dengungan

Ballast elektronik bekerja dengan frekuensi diatas kemampuan penangkapan telinga manusia sehingga suara dengungan tidak akan terdengar lagi. Lain halnya dengan ballast konvensional, dimana sering terdengar suara dengungan akibat pancaran laminasi dan coil yang merangsang vibrasi dari body ballast / plat besi sehingga timbul suara dengungan.

• Usia lampu lebih panjang

Ballast elektronik menggunakan sistem Rapid Start, penyalaan lampu yang lembut dan terkontrol. Hal ini akan memperpanjang usia lampu dibanding ballast konvensional.

•  Power Factor (Cos phi) yang tinggi

Ballast elektronik menggunakan rangkaian komponen elektronik yang padat, ringan dan terkontrol. Power factor bisa mencapai 0,93 - 0,99 (melebihi batas standar PLN yaitu 0.85). Hal ini yang membuat efisiensi tinggi dapat tercapai dengan baik.

• Sinar lampu yang konstan

Dengan sistem operasi berfrekuensi tinggi, Ballast elektronik tidak memberikan kesempatan kepada lampu neon untuk berkedip, dengan demikian nyala lampu selalu konstan dan lebih terang dibanding ballast konvensional walaupun tegangannya dibawah 200V.

• Low Harmonic ( Harmonisa)
  

sumber gambar disini

Riak frekuensi yang dihasilkan sangat kecil dan teratur sehingga membentuk gelombang sinus yang hampir sempurna. Hal ini yang membuat Ballast elektronik tidak mempengaruhi kinerja peralatan elektronik lain.

Referensi:

[1]“Prinsip Kerja Ballast Elektronik untuk Lampu Hemat Energi” http://faisalrizka.wordpress.com/2013/04/01/prinsip-kerja-ballast-elektronik-untuk-lampu-hemat-energi/

[2] “Rangkaian Ballast Elektronik Lampu TL http://skemarangkaianpcb.com/rangkaian-ballast-elektronik-lampu-tl/

[*] Disadur seperlunya dari tugas kelompok mata kuliah Elektronika Daya EP 3072 oleh Erwin-Yoga-Teguh-Bayu