Macam Jenis Lampu Listrik Dan Karakteristiknya

Tulisan tentang kategori elektrikal ini membahas tentang lampu listrik dan karakteristiknya, seperti lampu pijar, lampu halogen, lampu dingin, lampu fluoresen, lampu neon, lampu natrium, lampu merkuri tekanan tinggi, lampu metal halida dan sumber cahaya electroluminescent. Sebagai latar belakang tulisan ini, dipaparkan di paragaraf berikutnya.

Lampu listrik mulai digunakan sekitar tahun 1870, yaitu lampu busur yang menggunakan karbon sebagai elektrodanya. Pada tahun 1877 pertama kalinya digunakan lampu pijar oleh Thomas Alva Edison. Hingga perkembangan terakhir lampu listrik dikategorikan menjadi 3 yaitu lampu pijar, lampu pelepasan gas (gaseous discharge), dan electroluminescent.

Tergolong lampu pijar adalah: lampu pijar dengan filamen karbon, lampu Wolfrarm biasa, lampu halogen, dan lampu phato flash. Sedangkan lampu tabung (TL), lampu Merkuri rekanan tinggi, lampu Natrium tekanan rendah (SOX), lampu natrium tekanan tinggi (SON) dan lampu Metal Halida tergolong lampu pelepasan gas.

Contoh electro luminescent seperti tabung televisi, LED (light emiting diode), laser (light amplification stimulated emission of radiation), monitor laptop.

Lampu Pijar

Lampu pijar tergolong lampu lisrik generasi awal yang masih digunakan hingga saat ini. Filamen lampu pijar terbuat dari tungsten (wolfram), bola lampunya diisi gas.

Bentuk standar lampu pijar ditunjukkan pada Gb.3.1 sedangkan modifikasi material maupun pewarnaan gelasnya kini makin bervariasi.

Prinsip kerja lampu pijar adalah sangat sederhana. Ketika ada arus listrik mengalir melalui filamen yang mempunyai resisvitas tinggi sehingga menyebabkan kerugian tegangan selanjutnya menyebabkan kerugian daya yang menyebabkan panas pada filamen sehingga filamen berpijar.

Lampu pijar yang warna sinarnya putih, bagian dalam bola lampu dilapis dengan silika oksida (S_IO₂) atau seng Sulfida (Z_NS). Sedangkan untuk mendapatkan wama lain dapat diperoleh dengan pelapisan bagian dalam bola lampu dengan berbagai cara, antara lain:

1)   Teknik ini disebut frosting, yaitu pelapisan dengan membilas bagian dalam bola lampu menggunakan asam hidrofluorik sehingga menghasilkan lapisan tipis pada gelas (gelas seperti ini lazim disebut, gelas baur atau gelas es) yang kemampuan menyebarkan sinar tidak bagus.

2)   Melapisi bagian dalam bola lampu dengan serbuk halus silika atau titanium dioksida sehingga diperoleh difusi yang lebih baik (disebut opalising). Cara ini dilakukan pada lampu pijar jenis argenta.

3)   Pewarnaan bagian dalam bola lampu menggunakan cara frosting atau opalising menggunakan teknik elekrostatis, yaitu melapisi bagian dalam bola lampu dengan cara penguapan warna pigmen pada keadaan hampa. Pewarnaan yang bersifat fisis dapat pula menggunakan bahan semacam vernis.

4)   Untuk reflektor dilakukan pelapisan gelas dengan uap aluminium atau paduan tembaga aluminium pada kondisi hampa udara.

Hubungan antara tegangan (V), daya (P), dan arus cahaya (φ) serta efikesi (η) suatu lampu pijar dinyatakan dengan pendekatan menggunakan persamaan dibawah ini.

Persamaan Hubungan Antara Tegangan, Daya, Arus Cahaya & Efikesi

Jika tidak ada peryataan maka persamaan dianggap berlaku untuk bola lampu baik yang berisi gas maupun hampa udara.

Contoh:

Sebuah lampu pijar hampa udara memiliki tegangan nominal 110 volt, dengan umur pemakaian 1000 jam. Ketika lampu tersebut salah dihubungkan dengan tegangan volt, maka arus cahaya nya naik dan dalam waktu 219,6 detik filamennya putus.

Lampu Halogen

Lampu Halogen tergolong lampu pijar yang ke dalam bola lampunya diisi dengan unsur halogen di antaranya lodida. Evaporasi Wolfram pada lampu ini terjadi saat filamen berpijar.

Selanjutnya evaporasi Wolfram bereaksi dengan lodida di sekelilingnya sehingga terjadi reaksi bolak-balik. Dengan demikian atom yang akan terlepas dari filamen kembali menyatu dengan filamen. Hal ini menyebabkan umur filamen menjadi kira-kira 2 kali umur lampu biasa.

Lampu halogen jenis GSL umur standar pemakaian hingga 1000 jam di Amerika Serikat dibuat standar 750 jam. Sedangkan untuk penambahan umur rata-rata penrakaian 1000 hingga 2000 jam efikesinya turun sekitar I0%. Efikesi lampu halogen mencapai 20 lm/W.

Ada 2 penyebab keluaran arus cahaya lampu pijar menurun makin bertambahnya waktu, yaitu:

1)   Evaporasi pada filamen menyebabkan ada bagian filamen yang mengecil dan ini menyebabkan resistansi naik sekaligus mereduksi arus yang mengalir.

2)   Terjadinya bagian filamen yang tidak menempel kembali ke fllamen menyebabkan lapisan hitam pada bola lampu.

Penggunaan lampu halogen antara rain lampu pada mobil, OHP, lampu pada tambang, pabrik, aula olah raga, studio tv, tanah lapang air mancur dan lainnya.

Lampu Dingin

Salah satu perkembangan lampu filamen adalah pemakaian teknik gelas sinar dingin. Sinar inframerah yang dihasilkan filamen menimbulkan persoalan karena panas yang dipancarkan.

Panas ini dapat direduksi dengan menggunakan gelas sinar dingin untuk bahan bola lampu. Gelas sinar dingin dapat mengurangi panas yang dipancarkan filamen hingga 80%.

Lapisan yang menyebabkan gelas sinar dingin mampu mereduksi panas adalah seng Sulfida dan Magnesium Flourida atau Silika dioksida yang dibuat lapisan berselang seling (terdiri dari 2 macam bahan yang berbeda bisa mencapai 20 lapis). Gelas semacam ini disebut gelas dichroic.

Hingga awal tahun 2000 perkembangan teknologi lampu pijar sangar pesat baik yang terkait dengan bentuk bola lampu, bahan bola lampu, gas pengisi, pewarnaan, maupun modifikasi filamennya. Skema rumpun lampu pijar sebagai berikut:

Lampu Fluoresen

Lampu Fluoresen (TL =tubelair lamp) termasuk lampu merkuri tekanan rendah (0,4 Pa) yang dilengkapi dengan bahan fluoresen. Cahaya yang dipancarkan dari dalam lampu adalah ultraviolet (termasuk sinar tak tampak).

Untuk itu bagian dalam lampu tabung dilapisi dengan bahan fluoresen yang fungsinya mengubah ultra violet menjadi sinar tampak. Di samping itu pada bahan fluoresen ditambahkan senyawa lain yang disebut aktivator. Di dalam tabung lampu fluoresen terdapat merkuri dan gas inert (Argo atau Kripton).

Fungsi gas inert adalah memperpanjang umur elektroda karena keberadaan gas tersebut dapat mengurangi evaporasi, pengendali kecepatan lintasan elektron bebas sehingga lebih memungkinkan terjadinya ionisasi Merkuri, dan mempermudah lewatnya arus di dalam tabung khususnya pada temperarur rendah.

Pada awal kerja, arus mengalir melalui dan memanaskan elekroda (kalau sumber dc adalah katoda dan anoda) sehingga mengemisikan elektron bebas. Di samping melalui elektroda, arus juga melalui balast dan srarter.

Fenomena resistansi pada pelepasan gas adalah negatif. Berarti jika arus lampu bertambah tegangan lampu berkurang. Untuk itu perlu perangkat pembatas arus yang dipasang seri dengan TL. Perangkat tersebut bisa berupa resistor (pada sumber dc), balast elektris atau elektronik.

Tabel Karakteristik Beberapa Fluoresen

Karakterisitik Fluoresen

Fungsi balast ada 2 yaitu sebagai:

-  Pembangkit tegangan induksi yang tinggi (dipengaruhi kerja starter) agar terjadi pelepasan elekffon di dalam tabung.

-       Mernbatasi arus yang melalui tabung setelah lampu bekerja normal.

Macam Balast

Terdapat 4 macam balast yaitu berupa resistor, berupa kapasitor, berupa induktor, dan rangkaian elektronik. Berikut dibawah ini keterangannya.

Balast resistor

Merupakan balast yang tidak ekonomis karena menyebakan kerugian daya yang besar dan energi lisrik didesipasikan menjadi panas. Agar stabil balast resistor harus disuplasi dengan tegangan yang bisa mencapai 2 kali tegangan normal.

Balast kapasitor disebut juga lampu stabilisasi karena bentuknya memang seperti lampu pijar. Balast ini hampir tanpa kerugian. Balast kapasitor digunakan pada pemakaian frekuensi tinggi.

Balas Induktor

Paling lazim digunakan unuk lampu tabung. Kerugian daya yang ditimbulkan lebih kecil dari pada balast resistor. Balast ini dipadukan dengan starter dapat menimbulkan tegangan induksi yang tinggi.

Balast Elektronik

Tergolong lebih mahal dari balast lainnya, tetapi mempunyai beberapa keunggulan antara lain: memperbaiki sistem dan menaikan efikesi, tidak ada ficker atau efek stroboskopis, tidak memerlukan starter, tidak menimbulkan interferensi radio, dan dapat digunakan untuk ac sekaligus dc.

Terdapat 2 macam starter, yaitu jenis termal dan jenis nyala (tabung starter diisi gas Helium tekanan rendah). Untuk menghilangkan interferensi radio, disarankan memparalel starter termal dengan kapasitor 0,005 mF sedangkan unruk starter glow di samping dengan kapasitor yang sama juga diseri dengan resistor 100 ohm.

Fungsi kavasitor pada hubungan Duo ada 2 yaitu:

-        Menjadikan fasa tegangan kedua lampu tidak sama serhingga seakan lampu tidak pernah padam (disebut juga hubungan lead-lag).

-        Menaikkan faktor daya (cos φ).

Teknik kornpensasi menggunakan kapasitor ada dua macam yatru kompensasi mono yaitu kapasitor yang diparalel dengan salah satu lampu atau kompensasi duo.

Sebagai perkiraan kasar besar kapasitor yang diperlukan untuk kompensasi pada frekuensi 50 Hz anrara lain 4,2 µ untuk F lampu 36 W atau 40 W, 6,5 µ F untuk lampu 58 W atau 65 W (PLN ,mengeluarkan dafrar kapasitor yang diperlukan unruk perbaikan faktor daya lampu fluoresen).

Selain hubungan Duo yang masing-masing lampu mempunyai balast sendiri, terdapat pula hubungan 2 lampu yang menggunakan 1 balast bersama-sama yaitu hubungan Tandem.

Hubungan Tandem dikompensasi menggunakan kapasitor hubungan seri (bukan paralel). Penggunaan 1 balast secara bersama jika kapasitomya hubungan paralel menyebabkan semua arus melalui lampu dengan tegangan busur (yang menyebabkan lampu menyala) rendah.

Hal ini disebabkan gas di dalam tabung lampu fluoresen bersifat resistansi negatif.

Lampu Neon

Lampu tabung yang berisi gas Neon menghasilkan sinar kemerah-merahan, kalau diisi campuran uap Merkuri dengan Argon menghasilkan warna biru kehijauan sedangkan kalau diisi campuran uap Merkuri dengan gas Neon menghasilkan warna biru.

Tegangan yang diperlukan lampu rias Neor berkisar 300 hingga 1000 volt setiap panjang lampu 1 meter. Arus kerja lampu hias didasarkan diameter tabung yaitu 25 mA, 35 mA, dan 60 mA unruk diameter 10 mm, 15 mm, dan 20 mm.

Tegangan awan adalah 1,5 hingga 2 kali tegangan nominal. Untuk mengontrol besarnya arus tersebut digunakan trafo bocor tinggi (high leakage transformers).

Ada 2 cara menghubungkan lampu hias, yaitu penyorotan atau serentak, pada jenis serentak dipasang balast yang dimaksudkan mengurangi interferensi radio.

Lampu Natrium

Lampu Natrium (sodium) dibedakan berdasarkan tekanan gas di dalam tabung pelepasanya menjadi 2 yaitu lampu Natrium tekanan rendah (sox) dan lampu Natrium tekanan tinggi (SON).

Cara pemasangan lampu Natrium agak miring ke atas dengan maksud agar pada kondisi dingin Natrium terkumpul dan lebih dekat dengan elektroda sehingga pada proses penyalaan Natrium tersebut lebih awal terpanasi. Umur lampu Natrium rata-rara 2500 jam dan efikesinya 40 hingga 50 lm/W.

Terdapat rangkaian SOX dengan watt konstan baik selama beroperasi normal maupun pada wakru kerja awal.

Manfaat SOX dengan rangkaian watt konstan, antara lain:

-        Efikesi sisrem lebih tinggi

-        Kedipan (flicker) dapat direduksi

-        Variasi tegangan pengaruhnya kecil

-        Kapasitor yang dipasang seri berfungsi untuk melindungi terjadinya efek penyearahan pada akhir pemakaian lampu.

Perbadingan Antara SOX Dengan SON

Lampu Merkuri Tekanan Tinggi

Lampu Merkuri tekanan rendah (lampu fluoresen) cahaya yang sebagian besar dihasilkan adalah ultraviolet. Jika tekanan gas di dalamnya diperbesar hingga menjadi 2 atmosfir barulah dihasilkan sinar tampak.

Lampu merkuri tekanan tinggi mengunakan balast sebagai pembatas arus pelepasan. Karena itu factor dayanya relative rendah, yaitu 0,5

Cara kerja lampu merkuri terdiri 3 tahapan yaitu: pengapian, proses mencapai stabil, dan stabil. Pada saat suplai tegangan diberikan terjadi medan listrik antara elektroda kerja awal dengan salah satu elekroda utama.

Hal ini menyebabkan pelepasan muatan ke dua elektroda dan memanaskan merkuri yang ada di sekelilingnya. Untuk menguapkan Merkuri tersebut diperlukan waktu 4 hingga 8 menit.

Setelah semua merkuri menjadi gas, resistansi elektroda kerja awal naik (karena panas) dan ams mengalir antar elektroda utama melalui gas. Arus mula kerja berkisar 1,5 hingga 1,7 arus nominal. Warna kerja awal kemerahan dan setelah kerja normal sinar yang dihasilkan berwarna putih.

Lampu Metal Halida

Untuk memperbaiki warna lampu merkuri dilakukan dengan menambahkan unsur metal (yang lazim: Hg, Sn, Cd) ke dalam tabung pelepasan. Penambahan unsur metal bermanfaat menurunkan temperatur di dalam tabung pelepasan. Namun keberadaan metal dapat merusak quartz (bahan tabung) dan elektroda.

Untuk mengatasi kelemahan tersebut dibuat senyawa metal halida. Metal halida adalah metal yang disenyawakan dengan halogen yaitu unsur, F, Cl, Br, dan l. Pada temperatur tinggi ±3000 K terjadi reaksi kesetimbangan seperti pada lampu halogen.

Manfaatnya, metal halida tidak agresif terhadap dinding tabung, ion halogen terdapat di bagian tengah tabung, ion logam berfungsi memancarkan radiasi.

Lampu metal halida (MBI atau HPI) dikategorikan menjadi 3, yaitu:

Lampu Tiga warna menggunakan metal, natrium (Na), thalium (Tl), dan indium (In). Lampu jenis ini memancarkan 3 warna yaitu hijau, kuning dan biru yang komposisinya tergantung jumlah iodida dan temperatur kerja.

Lampu Spektrum Multi Garis menggunakan metal scandium (Sc), disprosium (Dy), thalium (Tl), dan holmium (Ho)

Lampu Molekular menghasilkan spektrum kuasi (bukan sebenarnya) menggunakan senyawa stanum iodida (SnI) dan stanum klorida (Sn CI).

Penyalaan pada lampu metal halida agak berbeda dengan lampu merkuri tekanan tinggi karena adanya aktivitas kimia gas pengisinya. Karena itu untuk memudahkan penyalaan awal di dalam gas ditambahkan gas mulia, Neon dan Argon atau Kripton dan Argon.

Penyalaan awal lampu metal halida memerlukan waktu sekitar 2 menit. Elektroda lampu metal halida terdiri dari 3 bagian yaitu timah hitam sebagai batang penghubung dengan bagian luar tabung pelepasan, lembaran molibdenum sebagai penyekat, dan elektrodanya sendiri.

Posisi pemasangan lampu metal halida menentukan umur pemakaian (umur nominal 12.000 jam) dan fluktuasi warna. Karena itu posisi pemasangan lampu metal halida harus memperhatikan petunjuk produsen. Efikesi lampu berkisar 75 lm/W hingga 95lm/W tergantung jenis dan besarnya daya lampu.

Seperti lampu pelepasan gas lainnya penyalaan kembali lampu metal halida diupayakan pada kondisi dingin yaitu setelah lampu padam 5 hingga 20 menit.

Sumber Cahaya Electroluminescent

Electroluminescent dapat didefinisikan sebagai emisi cahaya hasil dari eksitasi di dalam suatu padatan. Efek tersebut dapat diperoleh dengan menggunakan medan listrik pada bahan kristalin yang mempunyai sifat pemendaran khusus dan dapat dikontrol.

Hingga saat ini terdapar 2 sumber cahaya electroluminescent yaitu light emiting diorie (LED) dan panel electroluminescent. LED adalah bahan semikonduktor yang mengeluarkan cahaya ketika arus listrik melaluinya sebagaimana dioda lainnya LED terdiri dari pasangan bahan semikonduktor P dan N.

Penggunaan LED antara lain untuk teks atau gambar yang bergerak yang disebut displai penomoran alpha (terdiri dari 35 titik), penomoran 7 segmen (untuk displai nomor dlgital).

Karakteristik LED

Panel elecroluminacent adalah sumber cahaya datar yang cahayanya merupakan emisi bahan-bahan dielektrik sehingga sumber cahaya ini dapat pula diikatakan sebagai light emiting capacitor. Dasar pemikirannya, serbuk fluoresen dapat diaktifkan oleh medan listik baik yang disebabkan oleh arus searah msupun arus bolak balik.