Sebagian besar orang harusnya tidak asing dengan gambar ini:

Betul, itu adalah sebuah Tesla coil, diberi nama sesuai nama sang penemunya Nikola Tesla, ilmuwan Rusia abad lalu. Sebagian penelitian Nikola Tesla memang berhubungan dengan listrik tegangan tinggi dan transmisi tanpa kabel, dan menurut sejarah ia hilang secara misterius.

Tesla coil berfungsi menghasilkan tegangan listrik sangat tinggi, dan karena bentuk dan sifatnya yang agak ajaib ini, benda ini begitu dikenal. Untuk kamu-kamu yang dulu suka main Red Alert pasti tahu benda ini. Nah, bagaimana cara kerja Tesla Coil ini? Kenapa ada bola di atasnya? Apa yang dilakukan para Tesla Troopers saat men-charge benda ini? Kenapa Tesla Tower hanya menyerang musuh?
(Gak menyerang diri sendiri?)

» BUATLAH TESLA COIL-MU SENDIRI

Bahan:

• Sumber tegangan AC 1-10 kV, ± 25 Watt. Cari di mana?
• Spark gap, yaitu dua buah konduktor berjarak beberapa mm tempat loncatan listrik, benda yang fungsinya sama kita temukan di mesin motor dan mobil, namanya busi.
• Kawat tembaga diameter 0,3 mm, beberapa kilometer. Beli saja beberapa ons.
• Kawat tembaga diameter 5 mm (atau pipa tembaga 1/8 inci) ±10 m. Ini cukup mahal, jadi sementara pakai kawat yang sama seperti di atas.
• Pipa paralon diameter 6 inci, panjang 1 meter.
• Bola atau donat aluminium, diameter ± 20 cm, tidak perlu padat.
• Kapasitor tegangan tinggi, secukupnya.

Rangkaian:

» CARA KERJA TESLA COIL

Pertama-tama tinjau spark gap. Jaraknya diatur supaya timbul loncatan listrik saat sumber dinyalakan. Ini berarti arus listrik meloncati udara dan mengalir menuju kapasitor dan kumparan primer. Mengapa perlu begitu coba?

Selanjutnya, perhatikan kapasitor dan kumparan sekunder. Bagi yang belum tahu, kumparan memiliki suatu nilai yang disebut induktansi (sebutannya L untuk Lilitan, hehe, ngasal lho) yang menyatakan kuatnya medan magnet yang timbul jika kumparan itu dialiri listrik. Sedangkan, kapasitor memiliki kapasitansi (C untuk Capacitance) yang menyatakan banyaknya muatan listrik yang tersimpan jika ada tegangan.
Menurut fisika, jika sebuah L dan sebuah C digandeng seperti ini, maka dihasilkan suatu rangkaian LC seri. Rangkaian ini memiliki frekuensi khusus yang nilainya sebesar:

Ini sama saja dengan sebuah balok yang digantung pada sebuah pegas, yang jika digoyangkan akan memiliki frekuensi tertentu.

Sumber tegangan tinggi yang kita punya pastilah AC, yaitu arus bolak-balik. Frekuensinya bisa 50 Hz, sama dengan PLN, atau beberapa puluh ribu Hertz, kalau tahu bagaimana membuatnya. Bolak-balik berarti ada positifnya, ada negatifnya, dan ada nolnya. Nah, loncatan listrik pada spark gap hanya terjadi saat tegangannya tinggi dan ketika tegangannya nol tidak ada loncatan listrik. (Karena cepat, jadi kelihatannya ada terus).

Bagi rangkaian LC seri, setiap loncatan listrik bagaikan pukulan terhadap balok yang digantung pada pegas. Ketika balok dipukul, ia akan berayun dengan frekuensi dirinya. Demikian juga dengan LC seri, jika ada dorongan arus sekejap, akan timbul arus bolak-balik di dalam rangkaian LC seri yang frekuensinya ditentukan oleh rumus tadi. Biasanya diatur supaya nilai frekuensi ini sekitar 100 kHz – 1 MHz.

» LEBIH DEKAT DENGAN L DAN C

Tapi awas jangan terlalu dekat, nanti kesetrum!

Kumparan primer biasanya sebesar ember atau keranjang sampah kecil, 10-20 lilitan longgar (pakai kerangka kalau perlu, tapi JANGAN DARI LOGAM) diameter 20-30 cm, pokoknya pipa paralon muat di dalamnya. Tinggi lilitan kira-kira 30 cm. Bisa juga bentuknya datar seperti obat nyamuk, tetapi haruslah longgar dengan jarak antarkawat minimum 1 cm.

Kapasitor sepertinya harus dibuat sendiri, kecuali bisa beli entah di mana. Benda ini bisa dibuat dari botol kaca berisi air yang dibungkus aluminium foil. Pilih botol yang besar dan mulus. Terminalnya adalah aluminium foil dan air di dalamnya. Pikir sendiri bagaimana memasang kabelnya. Awas, harus diisolasi terhadap bumi. Styrofoam atau tupperware bagus digunakan untuk ganjal. Mungkin perlu beberapa botol, dihubungkan paralel. Air dengan air, foil dengan foil. Yang jelas, hasilnya adalah sebuah kapasitor dengan ketahanan tegangan beberapa puluh kilovolt.
Kalau punya osiloskop atau frequency counter, alangkah baiknya dicoba dulu untuk tahu berapa frekuensi resonansi LC yang timbul. Jangan langsung dicolok barangnya, jauh-jauh saja rasanya sudah cukup.

Selanjutnya, untuk kumparan sekunder, lilitkan kawat tembaga 0,3 mm pada paralon, kira-kira seribu lilit (catatan: Harus SANGAT RAPI!) dan hanya boleh satu lapis. Ujung bawah hubungkan ke bumi.

Bola aluminium (atau donat), walaupun tidak seperti kelihatannya , merupakan sebuah kapasitor. Menurut fisika, dua buah konduktor yang terpisah berkelakuan sebagai kapasitor, artinya muatan listrik bisa berkumpul berhadap-hadapan pada kedua konduktor . Dalam hal ini, konduktornya adalah bola dan bumi. Kalau tanganmu dekat-dekat, itulah konduktor. Itu sebabnya kita akan terkena setrum jika dekat-dekat dengan Tesla Coil betulan yang sedang bekerja.

Jadi, ada satu lagi rangkaian LC seri, yaitu kumparan sekunder dan bola-bumi. Tentunya yang ini juga punya frekuensi diri, dan entah kenapa kok sepertinya semua jadi masuk akal kalau frekuensi ini disetel supaya sama dengan frekuensi LC satunya.
Jika semua sudah diatur sehingga kedua frekuensi LC sama, maka dapat terjadi apa yang disebut kopling induktif resonansi. Resonansi berarti frekuensi yang satu sama dengan lainnya, induktif berarti berhubungan dengan medan magnet, sedangkan kopling diinjak kalau ganti gigi.
(Dipersilakan untuk mengartikan dengan logika masing-masing).

Dalam keadaan ini, energi yang tersimpan dalam satu sistem akan dibagi bersama dengan sistem lainnya. Sistem pertama adalah LC yang dikejut-kejutkan oleh spark gap sehingga bergoyang dangdut dengan frekuensi megahertz, sedangkan sistem kedua adalah menara Tesla paralon bertopi bola. Melihat sistem yang satu bergoyang dengan penuh energi, sistem kedua juga ikut-ikutan bergoyang dengan frekuensi sama.

Sayangnya sistem kedua terdiri dari L yang besar sekali dan C yang kecil sekali. Jadinya, untuk nilai energi beberapa watt, akan timbul tegangan yang tinggi sekali di ujung bola terhadap bumi jika dibandingkan dengan tegangan sumber kita. Kalau mau merasakan tersetrum beberapa ratus ribu volt (atau megavolt kalau alatnya bagus), cobalah Tesla Coil. Tidak usah dipegang, cukup atur jarak 15 cm. Jangan lama-lama!
Siapkan teman di dekatmu, kalau-kalau perlu CPR (pingsan, lalu perlu restart jantung).

» Aku sudah buat semuanya, tapi tidak terjadi apa-apa!!!

Malang sekali nasibmu Nak!
Coba atur-atur jumlah lilitan kumparan primer, tambah atau kurangi botol kapasitor. Semoga beruntung.

» PERTANYAAN YANG MUNGKIN MUNCUL

• Pertanyaan (Q): Kumparan primer dan sekunder mirip dengan yang ada di trafo. Apa bedanya?
  Jawaban (A): Trafo tidak digunakan pada frekuensi resonansi. Sama saja dengan sistem balok-pegas yang dipaksa untuk bergoyang terlalu cepat. Ini sebabnya perbandingan tegangan masukan dan keluaran trafo sama dengan perbandingan jumlah lilitan. Pada Tesla Coil, perbandingan tegangan bisa lebih besar. Tegangan keluaran Tesla Coil dibatasi oleh kesalahan setelan frekuensi, udara, atau faktor kualitas (Wikipedia: Q factor) resonansi. Untuk nilai energi tertentu, ada laju energi terbuang. Semakin kecil ini, semakin besar tegangan yang bisa timbul. Faktor kualitas trafo mungkin… sangat kecil, dan tergantung beban.
• Q: Kenapa bola bisa diganti donat? Dari mana dapatnya?
  A: …entahlah, tapi banyak Tesla Coil betulan yang pakai bentuk donat, kok. Ambil saja dari… tesla coil bekas atau generator van de graaf bekas.
• Q: Dari mana dapat sumber tegangan tinggi 1-10 kV?
  A: Ada dua cara:
  Cara pertama: buat trafo step-up dari 220 V (PLN) sampai 10000 V. Kalau ada peragaan iptek, biasanya ada alat yang disebut Jacob’s Ladder. Di sekitar situ mungkin ada trafonya. Yang saya pernah lihat, kira-kira sebesar printer.
  Cara kedua: Buat osilator 10 kHz, 5 V dengan osilator 555 atau schmitt trigger atau yang lain, kuatkan dengan transistor mosfet atau yang lain. Pasang ke trafo flyback yang ada di setiap monitor CRT, atau mungkin koil busi juga bisa. Entah apa jadinya.
  Cara ketiga: dari PLN, buat rangkaian voltage multiplier 10 kali. Batasi arusnya dengan lampu bohlam 40 Watt. Resiko ditanggung sendiri, mulai dari kapasitor meledak sampai kesetrum.
• Q: Jadi, apa yang dilakukan para Tesla Troopers, dan kenapa Tesla Tower hanya menyerang musuh? Bagaimana pula cara kerja Prism Tower, apakah meresonansikan cahaya?
  A: Wah, sepertinya itu di luar jangkauan kami. Coba tanya pembuat game-nya.

Benda selalu bergerak dengan amplitudo dan frekuensi yang berubah-ubah tergantung dari sumbernya. Dari kenyataan ini, timbul kenginan untuk membuat suatu alat yang dapat mendeteksi getaran/gerakan ini. Namun biasanya, getaran ini sangat kecil amplitudonya sehingga tidak terdeteksi oleh manusia. Oleh karena itu, harus digunakan alat yang memiliki sensitivitas tinggi. Terinsipirasi dari percobaan interferometer yang memiliki sensitivitas tinggi, dibuatlah suatu sensor getaran yang memanfaatkan sifat interferensi gelombang elektromagnetik (cahaya) yang digunakan dalam percobaan tersebut. Komponen penting penyusun sensor tersebut adalah sumber laser, photransistor dan catu daya.

KOMPONEN ELEKTRONIK DALAM RANGKAIAN

» Phototransistor

Phototransistor biasa disebut juga photoduodiode yang merupakan komponen semikonduktor yang sensitif terhadap cahaya dari p-n photodiode. Biasanya phototransistor dirangkai dalam konfigurasi common-emitter dengan basis tidak disambungkan dan radiasi cahaya dikonsentrasikan pada daerah sekitar collector-junction. Cara kerja komponen ini dapat dimengerti dengan collector-junction di reverse-bias. Phototransistor cukup peka terhadap perubahan intensitas cahaya yang masuk ke dalamnya. Dengan adanya perubahan intensitas cahaya yang masuk ke phototransistor, maka akan terjadi perubahan resistansi.

» Catu Daya

Catu daya adalah suatu rangkaian sumber tegangan yang digunakan untuk menghasilkan tegangan DC dari masukan berupa tegangan AC. Rangkaian catu daya tersusuna atas transformator, dioda bridge penyearah, kapasitor, dan dioda Zener.

Pada transformator, tegangan AC masukan dapat diturunkan atau dinaikkan dengan cara mengatur jumlah lilitan kumparan, sesuai dengan persamaan

Hasil tegangan yang telah diubah oleh transfomator kemudian masuk dalam rangkaian dioda bridge penyearah:

Saat tegangan di A lebih besar daripada tegangan di C, maka arus akan mengalir dari A ke C. Arus tidak dapat mengalir lewat dioda AD, sehingga akan mengalir melalui dioda AB menuju titik B dan akhirnya menuju hambatan. Arus dari hambatan akan kembali ke titik D. Di sini arus tidak akan melalui dioda AD sebab tegangan A lebih tinggi daripada C, sehingga arus akan mengalir pada dioda CD. Demikian pula sebaliknya, jika tegangan C lebih besar daripada A, maka arus akan mengalir melalui dioda BC menuju titik B dan akan kembali pada titik D. Melalui dioda AD, arus akan ke titik A. Dari sini tampak bahwa arus keluaran akan selalu dari titik B dan menuju titik D, sehingga rangkaian ini merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh.

Kapasitor C dirangkai secara pararel dengan hambatan. Fungsi kapasitor dalam rangkaian ini adalah sebagai perata arus, sehingga arus keluaran cukup konstan, tidak berupa pulsa-pulsa arus. Dioda Zener digunakan dalam rangkaian dengan fungsi untuk menjaga tegangan keluaran agar selalu konstan untuk nilai arus berapapun. Hal ini diperlukan agar hasil keluaran tetap sehingga tidak merusak alat.

TINJAUAN TEORETIK

Solusi persamaan gelombang secara umum dapat dinyatakan

dengan

dan

Bila dua buah gelombang bertemu, maka akan terjadi interferensi antara dua buah gelombang tersebut sehingga dapat dianggap sebagai sebuah gelombang baru dengan persamaan

Bila arah rambat kedua gelombang tersebut saling berlawanan dan frekuensi dari gelombangnya sama, maka dapat tercipta suatu gelombang berdiri, yaitu gelombang dengan simpul dan perut gelombang pada titik-titik tertentu yang bergantung pada jaraknya saja.

Dalam sensor getaran ini, digunakan perpaduan gelombang dengan cara pemantulan. Dengan demikian, amplitudo, frekuensi sudut, dan bilangan gelombang kedua gelombang sama, hanya arah rambatnya saja yang berbeda. Untuk setiap titik pada lintasan cahaya akan terjadi interferensi gelombang antara gelombang datang dan gelombang pantul. Sinar datang memiliki solusi persamaan gelombang

Pada saat pemantulan, terjadi pembalikan fasa gelombang, sehingga sinar pantul memiliki persamaan gelombang

Dengan penjumlahan 2 gelombang:

sehingga

dengan L adalah jarak sumber dengan ujung pantulan dan x jarak titik dari ujung pantulan. Pada sensor getaran yang akan dibuat, x adalah jarak sensor dengan cermin dan L adalah jarak laser dengan cermin.

BAHAN DAN METODE

Bahan dan alat utama yang digunakan dalam pembuatan sensor getaran ini adalah laser, photodiode, dan juga cermin. Awal percobaan hanya ditargetkan agar sensor dapat mendeteksi getaran dengan hasil keluaran berupa suara, namun ke depannya sensor ini dapat dikembangkan agar dapat mengambil data dan menghitung frekuensi getaran. Data yang diperoleh merupakan suara dari (speaker), sedangkan untuk akuisi data mungkin bisa menggunakan Matlab atau program simulasi lainnya, tetapi ini masih belum dicoba lebih lanjut.

HASIL PERCOBAAN

Salah satu hasil percobaan pengujian sensor yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar berikut. Keluaran dari speaker dicitrakan dengan menggunakan perangkat lunak cool edit pro.

ANALISIS

Pada sensor getaran yang telah dibuat, prinsip interferensi cahaya diterapkan ketika cahaya ditangkap oleh phototransistor. Sinar laser ditembakkan sedemikian rupa sehingga sebagian sinar mengenai phototransistor, dan sebagian sinar diteruskan. Sinar yang diteruskan tersebut dipantulkan oleh cermin (yang akan bergetar oleh suatu faktor eksternal), dan hasil pantulannya akan ditangkap kembali oleh phototransistor, sehingga pada phototransistor akan muncul pola gelap terang.

Bila ada getaran yang terjadi, maka jarak cermin terhadap phototransistor akan berubah, dan pola gelap terang akan tergeser sehingga phototransistor dapat menangkap perubahan tersebut. Ini berarti intensitas yang diterima oleh phototransistor jadi berubah dan demikian pula tegangan pada speaker, sehingga akan terdeteksi getaran yang keluarannya berupa bunyi.

Pada percobaan awal, sumber tegangan untuk laser tidak menggunakan baterai tetapi digunakan catu daya. Akan tetapi, transformator yang digunakan memberikan sinyal tegangan yang memiliki frekuensi 50 Hz sehingga memberikan derau (noise) pada alat ini dan muncul pada speaker. Rangkaian awal dari percobaan ini adalah seperti gambar berikut.

Oleh karena adanya noise ini, maka rancangannya diubah, yaitu dengan menggunakan sumber tegangan AC menjadi DC secara langsung sehingga noise bisa teratasi.

Sensor getaran yang dibuat hanya akan mendeteksi getaran cermin dalam arah satu dimensi saja yaitu arah yang sejajar dengan sinar datang dan sinar pantul laser. Perubahan dalam arah tegak lurus sinar datang tidak akan mempengaruhi jarak antara cermin dengan laser dan phototransistor. Dengan kata lain itu tidak mengubah pola gelap terang yang terjadi. Kerasnya suara pada speaker dipengaruhi oleh kecepatan dari gerakan cermin sehingga pola gelap terang juga berubah dengan cepat. Hal ini diakibatkan oleh kerasnya suara speaker bergantung pada laju perubahan tegangan terhadap waktu. Jadi, semakin cepat laju perubahan ini (laju cermin), maka akan semakin keras suaranya.

RINGKASAN

• Sensor getaran yang telah dibuat ternyata memiliki sensitivitas tinggi karena dapat mendeteksi gerakan/getaran yang sangat kecil. Oleh karena sensitivitas yang tinggi ini, diputuskan agar sensor tidak menggunakan sumber tegangan AC karena dapat menimbulkan noise berfrekuensi 50 hertz.
• Sensor ini harus menggunakan laser yang memiliki koherensi tinggi karena dibutuhkan pola gelap terang (bukan pola terang yang memiliki intensitas berbeda-beda).
• Sensor dapat mendeteksi getaran pada arah yang sejajar dengan sinar laser.

BAHAN BACAAN

• P. Horowitz, 1980, The Art of Electronics: 2^nd edition (London: Cambridge University Press).
• K. Krane, 1996, Modern Physics: 2^nd edition(New York: John Wiley and Sons, Canada).
• Millman dan Halkias, 1964, Integrated Electronics, (Mc Graw Hill, Tokyo).
• H.J. Pain, 1995, The Physics of Vibrations and Waves, 4^th edition (New York: John Wiley & Sons).
• M. Sayer dan A. Mansingh, 2000, Measurement, Instrumentation and Experiment Design in Physics and Engineering (Prentice Hall, India).