Penggunaan Electronic Ballast Untuk Lampu Fluorescent

Susanto Wibisono K

Lampu fluorescent lebih dikenal sebagai lampu TL.  Lampu penerangan jenis ini lebih banyak dipakai karena daya yang dipakai relatif lebih kecil jika dibandingkan dengan lampu bolam.  Selain itu lampu TL juga lebih dingin daripada lampu bolam dengan pemakain daya yang sama.

Penggunaan lampu fluorescent, dan selanjutnya disebut lampu TL ini penggunaannya sudah sangat luas dan sangat umum baik untuk penerangan rumah ataupun penerangan pada industri-industri.  Keuntungan dari lmapu TL ini, seperti yang telah disebutkan di atas adalah menghasilkan cahaya output per watt daya yang digunakan lebih tinggi daripada lampu bolam biasa (incandescent lamp).

Sebagai contoh, sebuah penelitian menunjukkan bahwa 32 watt lampu TL akan mengjasilkan cahaya sebesar 1700 lumens pada jarak 1 meter sedangkan 75 watt lampu bolam biasa (lampu bolam dengan filamen tungsten) menghasilkan 1200 lumens.  Atau dengan kata lain perbandingan effisiensi lampu TL dan lampu bolam adalah 53 : 16.  Effiesiensi disini didefinisikan sebagai intensitas cahaya yang dihasilkan dibagi dengan daya listrik yang digunakan.

Walaupun lampu TL mempunyai keuntungan yang besar yaitu pada penghematan daya, lampu TL juga mempunyai kerugian.  Kerugian lampu TL adalah :

q       Besarnya biaya pembelian satu set lampu TL

q       Tempat yang digunakan oleh satu set lampu TL lebih besar.

Oleh karena lampu TL standard measih mempunyai kelemahan seperti yang disebutkan di atas maka dengan electronic ballast tempat yang digunakan oleh sebuah lampu TL standar dapat diperkecil sehingga menyamai tempat yang digunakan oleh sebuah lampu bolam.  Selain itu dengan electronic ballast dapat mengatasi adanya flicker yang disebabkan karena turunnya frekuensi tegangan supplai.

Gambar 1 Blok Diagram Lampu TL Standar

Operasi lampu TL standar hanya membuthkan komponen yang sangat sedikit yaitu : Ballast (berupa induktor), starter, dan sebuah kapasitor (pada umumnya tidak digunakan) dan sebuah tabung lampu TL.  Konstruksi ini dapat dilihat pada gambar 1.

Tabung lampu TL ini diisi oleh semacam gas yang pada saat elektrodanya mendapat tegangan tinggi gas ini akan terionisasi sehingga menyebabkan elektron-elektron pada gas tersebut bergerak dan memendarkan lapisan fluorescent pada lapisan tabung lampu TL.

Starter merupakan komponen penting pada sistem lampu TL ini karena starter akan menghasilkan suatu pulsa trigger agar ballast dapat menghasilkan spike tegangan tinggi.  Starter merupakan komponen bimetal yang dibangun di dalam sebuah tabung vacuum yang biasanya diisi dengan gas neon.

Operasi Lampu TL Standar

Ketika tegangan AC 220 volt di hubungkan ke satu set lampu TL maka tegangan diujung-ujung starter sudah cukup utuk  menyebabkan gas nenon didalam tabung starter untuk panas (terionisasi) sehingga menyebabkan starter yang kondisi normalnya adalah normally open ini akan ‘closed’ sehingga gas neon di dalamnya dingin (deionisasi)  dan dalam kondisi starter ‘closed’ ini terdapat aliran arus yang memanaskan filamen tabung lampu TL sehingga gas yang terdapat didalam tabung lampu TL ini terionisasi.

Pada saat gas neon di dalam tabung starter sudah cukup dingin maka bimetal di dalam tabung starter tersebut akan ‘open’ kembali sehingga ballast akan menghasilkan spike tegangan tinggi yang akan menyebabkan terdapat lompatan elektron dari kedua elektroda dan memendarkan lapisan fluorescent pada tabung  lampu TL tersebut..

Perstiwa ini akan berulang ketika gas di dalam tabung lampu TL tidak terionisasi penuh sehingga tidak terdapat cukup arus yang melewati filamen lampu neon tersebut.  Lampu neon akan tampak berkedip.

Selain itu jika tegangang induksi dari ballast tidak cukup besar maka walaupun tabung neon TL tersebut sudah terionisasi penuh tetap tidak akan menyebabkan lompatan elektron dari salah satu elektroda tersebut.

Besarnya tegangan spike yang dihasilkan oleh trafo ballast dapat ditentukan oleh rumus berikut :

Jika proses ‘starting up’ yang pertama tidak berhasil maka tegangan diujung-ujung starter  akan cukup untuk menyebabkan gas neon di dalamnya untuk terionisasi (panas) sehingga starter  ‘closed’.  Dan seterusnya sampai lampu TL ini masuk pada kondisi steady state yaitu pada saat impedansinya turun menjadi ratusan ohm .  Impedansi dari tabung akan turun dari dari ratusan megaohm menjadi ratusan ohm saja pada saat kondisi ‘steady state’.  Arus yang ditarik oleh lampu TL tergantung dari impedansi trafo ballast seri dengan impedansi tabung lampu TL.

 Selain itu karena tidak ada sinkronisasi dengan tegangan input maka ada kemungkinan pada saat starter berubah kondisi dari ‘closed’ ke ‘open’ terjadi pada saat tegangan AC turun mendekati nol sehingga tegangan yang dihasilkan oleh ballast tidak cukup untuk menyebabkan lompatan elektron pada tabung lampu TL.

Electronic Ballast

Pada prinsipnya kontroller lampu TL (sering disebut sebagai ballast elektronic) terdiri dari  komponen yang memberikan arus dengan frekuensi tinggi di atas 18KHz.  Frekuensi yang biasa dipakai adalah frekuensi 20KHz  sampai 60KHz.

Aplikasi ini mempunyai beberapa keuntungan yaitu :

q       Meningkatkan rasio perbandingan  konversi daya listrik  ke cahaya yang dihasilkan.

q       Tidak terdeteksinya kedipan oleh mata karena kedipannya terjadi pada frekuensi yang sangat tinggi sehingga tidak dapat diikuti oleh kecepatan mata.

q       Ballast elektronik ringan.

Tetapi dari keuntungannya tersebut ditebus dengan kerumitan rangkaian jika dibandingkan dengan ballast konvensional.  Pada elektronik ballast terdapat 3  macam tipe yang sering digunakan yaitu :

q       Flyback inverter

q       Rangkaian Current source Resonant

q       Rangkaian Voltage source resonant

Gambar 2  Blok Diagram Ballast Elektronik

Flyback Inverter

Tipe ini tidak terlalu populer karena adanya pendekatan transien tegangan tinggi sehingga berdampak langsung dengan penggunaan tegangan rangkaian tegangan tinggi begitu pula dengan penggunaan komponen-komponen transistor untuk tegangan tinggi.

Selain itu rangkaian flyback akan menurunkan efisiensi transistor karena kerugian pada saat switching .  Kerugian yang utama yaitu flyback inverter akan menghasilkan tegangan berbentuk kotak dan arus berbentuk segitiga.  Tegangan dengan bentuk gelombang seperti ini tidak cukup baik untuk lampu TL. Agar rangakaian ini dapat menghasilkan sinyal berbentuk sinus maka perlu ditambahkan komponen induktor dan kapasitor. 

Gambar 3 Blok Diagram Flyback Inverter

Rangkaian Current Source Resonant

Untuk rangkaian dengan menggunakan teknik ini membutuhkan komponen tambahan induktor yang dinamakan feed choke.  Komponen ini juga harus menggunakan transistor tegangan tinggi.  Oleh karena itu rangkaian ballast elektronik ini membutuhkan biaya yang lebih tinggi.  Komponen transistor yang digunakan harus mempunyai karakteristik tegangan breakdown (V_BR harus lebih besar dari 784 volt dan harus mampu mengalirkan arus kolektor sebesar 1 sampai 2A.

Gambar 4 Blok Diagram Rangkaian Current Source Resonant

Rangkaian Voltage Source Resonant

Rangkaian ini paling banyak dipakai oleh berbagai industri ballast elektronik saat ini. 

Tegangan AC sebagai tegangan suplai disearahkan dengan mengggunakan bridge DR dan akan mengisi kapasistor bank C1.  C1 akan menjadi sumber tegangan DC untuk tabung lampu TL.  Kemudian sebuah input filter dibentuk untuk mencegah rangkaian dari tegangan transien dari tegangan suplai PLN dan melemahkan berbagai sumebr noise EMI (Electro Magnetic Interferrence) yang dihasilkan oleh frekuensi tinggi dari tabung lampu TL. Filter input ini dibentuk dengan rangkaian induktor dan kapasitor.  Blok diagram rangkaian dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5  Blok Diagram Rangkaian Voltage Source Resonant

Input filter ini harus mempunyai spesifikasi yang baik karena harus dapat mencegah interferensi gelombang radio sehingga di Amerika input filter ini harus mempunyai sertifikat FCC.

Frekuensi resonansi yang dihasilkan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan :

Pada saat rangkaian dihidupkan maka tabung TL akan mempunyai impedansi yang sangat besar sehingga C4 seakan-akan seri dengan L dan C3 sehingga didapatkan persamaan di atas.

Resonansi yang dihasilkan ini mempunyai tegangan yang cukup besar agar dapat mengionisasi gas yang berada di dalam tabung lampu TL tersebut.  Kondisi ini akan menyebabkan kondisi strating yang tiba-tiba sehingga dapat memperpendek umur dari filamen karena filemen belum mendapatkan pemanasan yang cukup untuk mengemisikan elektron.  Kondisi ini ditentukan oleh keadaan osilatornya.

Pada saat starting up ini pula terdapat arus peak yang sangat besar, sebesar 4 kali arus steady state.  Oleh karena itu harus dipilih transistor yang mempunyai karakterisktik arus kolektor sebesar 4 x arus steady yaitu sekitar 2.75A.  Arus steady besarnya sekita 0.75A.  Sehingga Q1 dan Q2 harus mampu melewatkan arus sebesar 2.75A.

Ketika tabung TL telah terionisasi dengan penuh maka impedansinya akan turun menjadi ratusan ohm saja sehingga akan membuang muatan pada C4.  Kondisi ini akan menggeser frekuensi resonansi ke nilai yang ditentukan oleh C3 dan L.  Energi yang sedang digunakan tersebut sekarang lebih kecil begitu pula dengan tegangan di antara elektroda-elektrodanya menjadi kecil pula.  Kondisi ini mengakhiri kondisi startup dari lampu TL ini.

Dibawah ini merupakan contoh aplikasi untuk elektronik ballast dengan menggunakan  transistor power BUL45.

Gambar 6 Skematik Ballast Elektronik