BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Rangkaian alat pengisi baterai smartphone berbayar dengan tenaga surya merupakan suatu rangkaian elektronik yang terdiri dari beberapa bagian. Setiap rangkaian memiliki fungsi tersendiri dan saling berinteraksi antara satu sama lain, sehingga membentuk suatu sistem. Adapun rangkaian sistem yang dirancang dibagi menjadi beberapa bagian, antara lain:
1. Panel surya
2. Rangkaian Charger Baterai Lead Acid
3. Rangkaian Charger Smartphone
4. Rangkaian Penggerak Relay
5. Rangkaian Sensor Koin
6. Rangkaian LCD
7. Rangkaian Mikrokontroler ATMega 8535
Penjelasan dari masing-masing rangkaian sistem tersebut dapat dilihat pada masing-masing sub bab berikut ini.
3.2.1 Panel Surya
Pada umumnya sebuah sel surya menghasilkan tegangan antara 0,5V dan 1V, tergantung intensitas cahaya dan zat semikonduktor yang dipakai. Dalam penggunaannya, sel-sel surya dihubungkan satu sama lain sejajar atau seri, tergantung dari apa yang diperlukan untuk menghasilkan daya dengan kombinasi tegangan dan arus yang dikehendaki. Arus listrik yang dihasilkan oleh panel surya akan disimpan ke baterai lead acid. Dalam perancangan ini jenis panel surya yang digunakan adalah tipe monocrystaline. Spesifikasi panel surya dapat dilihat pada Gambar 3.2 dan Tabel 3.1.
Gambar 3.2 Panel Surya Tipe Monocrystaline
Tabel 3.1 Spesifikasi Panel Surya Tipe Monocrystaline
Daya maksimal (Pmax) 20W
Voc 22,4V
Current at Pmax (Imp) 1,15A
Voltage at Pmax (Vmp) 17,4V
Standart Test condition AM 1,5 1000 w/m2 250 C
Pada Tabel 3.1 terdapat Standar Test Conditions (STC) untuk panel surya dimana AM (Air Mass) merupakan massa udara di bumi, yaitu sekitar 1,5
spektrum, radiasinya adalah 1000 Watt per meter persegi atau disebut satu matahari puncak (one peak sun hour) dan 25˚C suhu panel surya, bukan suhu udara. Pada kondisi tersebut panel surya mampu menghasilkan arus maksimum dan tegangan maksimun. Hasil perkalian Imp dan Vmp merupakan jumlah Watt maksimum pada STC, yaitu 1,15A x 17,4V = 20 Watt.
3.2.2 Rangkaian Charger Baterai Lead Acid
Pada perancangan ini jenis baterai yang digunakan adalah baterai lead acid
atau sering juga disebut baterai timbal. Alasan pemilihan baterai ini digunakan karena dapat diisi ulang, tidak memerlukan perawatan (Maintenance Free), dari segi tata letak baterai ini dapat di letakkan pada posisi tegak, miring atau terbalik. Bila pertimbangannya untuk segala posisi maka baterai ini adalah pilihan utama karena cairan air aki tidak akan tumpah.
Baterai yang digunakan memiliki kapasitas sebesar 12V 4,5Ah. Pada rancangan ini, tegangan baterai untuk kondisi penuh adalah 13,8V dan pada saat kondisi lemah tegangan baterai 12,6V dengan arus pengisian normal sebesar 450 mA (0,45A). Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh panel surya adalah 22,4V. Tegangan ini terlalu besar untuk mengisi baterai 12V, sehingga dibutuhkan rangkaian regulator tegangan. Regulator yang digunakan adalah IC LM317, dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Tegangan output sebesar 13,8V dari IC4 dapat dihasilkan dengan menggunakan satu fixed resistor dan satu variabel resistor dengan menggunakan rumus sesuai dengan datasheet, yaitu :
out IAdj*R2) (1) Nilai dari R12 dan R9 dipilih sesuai dengan datasheet, R12 sebesar 5000Ω dan R9 sebesar 240 Ω, sehingga tegangan output dari LM317 dapat dihitung dengan menggunakan rumus persamaan (1), yaitu :
out
out
out
Tegangan output sebesar 27,785V tidak dapat digunakan untuk pengisian baterai lead acid karena beda potensialnya terlalu jauh. Cara untuk mendapatkan tegangan tersebut adalah dengan memutar variabel resistor hingga mendapatkan tegangan sebesar 13,8V dengan bantuan alat ukur multimeter.
Untuk mendapatkan arus pengisian sebesar 0,45mA digunakan IC4 sebagai pembatas arus, yang dapat dihitung sesuai dengan rumus datasheet, yaitu :
Ilimit = Vref/R4 (2) R4 = 1.2/0,45A
R4 = 2,6Ω
Nilai hambatan yang diperoleh dari persamaan (2) adalah 2,6Ω. Jadi, nilai resistor yang digunakan untuk membatasi arus yang masuk adalah 2,6 Ω, sedangkan yang tersedia di pasaran adalah 2,2Ω, dengan menggunakan R4 sebesar 2,2Ω, arus pengisiannya adalah 0,5A. Rangkai regulator arus dapat dilihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Rangkaian Regulator Arus LM317
Setelah nilai komponen untuk regulator tegangan dan pembatas arus diperoleh, maka dapat dirangkai suatu alat pengisi baterai lead acid, dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Rangkaian Alat pengisi Baterai Lead Acid
3.2.3 Rangkaian Charger Smartphone
Rangkaian ini berfungsi untuk pengisian baterai smartphone. Ponsel jenis
smartphone memiliki konsumsi arus yang berbeda-beda, oleh karena itu pada
perancangan ini metode pengisian baterai yang digunakan adalah constant
voltage, yaitu dengan mempertahankan tegangan keluaran dari charger
smartphone.
Dalam pengisian baterai smartphone dibutuhkan tegangan 5V. Sumber tegangan berasal dari baterai lead acid 12V, sehingga dibutuhkan regulator tegangan untuk memperoleh tegangan 5V. Arus keluaran dari charger adalah 1A
Gambar 3.6 Rangkaian Charger Smartphone
Komponen utama rangkaian pada Gambar 3.6 adalah IC LM317 yang berfungsi sebagai regulator tegangan. Untuk menghasilkan tegangan output yang stabil dari IC5 digunakan satu fixed resistor dan satu variabel resistor, untuk R8 sebesar 240Ω dan R9 sebesar 5kΩ, sehingga tegangan output dari IC5 dapat dihitung dengan menggunakan rumus sesuai dengan datasheet LM317, yaitu :
Vout=1,25 V (1+R9/R8) +(IAdj*R9) (3) Vout =1,25 V (1+(5000 Ω)/(240 Ω))+(100μA*5000 Ω)
Vout =1,25 V (21,83) +0.5V Vout=27,785 V
Tegangan output sebesar 27,785V tidak dapat digunakan untuk pengisian baterai smartphone, karena baterai smartphone hanya mampu menerima tegangan maksimal sebesar 5V. Cara untuk mendapatkan tegangan tersebut adalah dengan memutar variabel resistor hingga mendapatkan tegangan sebesar 5V dengan bantuan alat ukur multimeter. Untuk mendapatkan arus keluaran sebesar 1A (1000mA) digunakan IC4 sebagai pembatas arus, nilai resistor dapat dihitung dengan menggunakan rumus :
Ilimit = Vref/R7 (4) 1A = 1,2V/R7
R7 = 1,2V/1A R7 = 1,2Ω
Dengan pemilihan komponen tersebut, maka dapat di rancang rangkaian
3.2.4 Rangkaian Penggerak Relay
Rangkaian ini berfungsi untuk memutus dan mengaktifkan relay. Dalam perancangan ini hal yang pertama dilakukan adalah pemilihan jenis relay yang digunakan. Relay yang digunakan adalah relay DPDT. Dari hasil pengukuran tahanan pada coil, relay ini memiliki tahanan dalam sebesar 720Ω, VCCrelay = +12 V, VCE(saturasi) = 0V, sehingga arus yang mengalir adalah :
V = I.R (5) Ic = IRelay
Ic = (VCC-VCE(sat)/Rrelay = (12V-0V)/720Ω = 12V/720Ω = 0,0166 mA
= 16,6 mA
Setelah mengetahui jumlah arus yang dibutuhkan untuk mengaktifkan relay, maka pemilihan komponen selanjutnya adalah mencari transistor yang memiliki keluaran arus pada kolektor (Ic) di atas 16 mA. Pada perancangan ini jenis transistor yang digunakan adalah transistor BD139, sesuai dengan datasheet arus maksimum yang digunakan pada kolektor ketika transistor sedang beroperasi kontinyu adalah 1,5 A(1500mA), lebih dari ini transistor akan rusak.
Pada datasheet transistor BD139 terdapat nilai hFE min = 40, hFE max= 250, Ic = 16 mA, sehingga arus basis (Ib) dapat dihitung, yaitu :
0,4 mA 40 16mA min h I I FE C B
Dengan demikian, maka arus keluaran dari mikrokontroler akan mampu mencatu transistor yang membutuhkan arus minimal sebesar 4mA. Transistor BD139 tidak perlu menggunakan tahanan pada basis, karena arus basis (IB) pada saat saturasi maksimal 50mA agar transistor tidak rusak, sedangkan arus keluaran
dari pin mikrokontroler adalah 20 mA, sehingga transistor jenis ini akan aman digunakan. Dengan pemilihan komponen tersebut, maka dapat dirancang rangkaian penggerak relay, dapat dilihat pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian Penggerak Relay
3.2.5 Rangkaian Sensor Koin
Rangkaian ini menggunakan optocoupler terdiri dari kombinasi LED dan
phototransistor. Pada prinsipnya, optocoupler dengan kombinasi
LED-phototransistor adalah optocoupler yang terdiri dari sebuah komponen LED yang memancarkan cahaya infra merah (IR LED) dan sebuah komponen semikonduktor yang peka terhadap cahaya (phototransistor) sebagai bagian yang digunakan untuk mendeteksi cahaya infra merah yang dipancarkan oleh IR LED. Rangkaian
optocoupler ditunjukkan pada Gambar 2.6 (halaman 16).
Gambar 2.6 menjelaskan bahwa arus listrik yang mengalir melalui IR LED akan menyebabkan IR LED memancarkan cahaya infra merahnya. Intensitas cahaya tergantung pada jumlah arus listrik yang mengalir pada IR LED tersebut. Kelebihan cahaya infra merah adalah pada ketahanannya yang lebih baik jika dibandingkan dengan cahaya tampak. Sinar infra merah tidak dapat dilihat dengan mata telanjang.
Cahaya infra merah yang dipancarkan akan dideteksi oleh phototransistor yang menyebabkan terjadinya hubungan atau switch on pada phototransistor. Terminal basis pada phototransistor peka terhadap cahaya. Rangkaian sensor koin yang menggunakan optocoupler dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Rangkaian Sensor Koin
Pada rangkaian Gambar 3.8 digunakan sebuah LED yang diserikan dengan sebuah resistor. Resistor berfungsi untuk membatasi arus yang masuk ke LED infra merah agar tidak rusak. Nilai resistor yang digunakan adalah 100Ω, sehingga arus yang mengalir pada IR LEDadalah :
A 0,033 100 3,3V 100 1,7V 5V R V Vcc I Led
Pancaran dari sinar infra merah akan diterima oleh phototransistor, kemudian akan diolah oleh rangkaian penerima agar menghasilkan data biner. Pada saat phototransistor menerima sinar IR LED nilai tahanannya akan semakin kecil, sehingga arus yang mengalir semakin besar yang mengakibatkan transistor jenuh, dan tegangan output (Vout) = 0. Apabila phototransistor tidak terkena sinar infra merah nilai tahananya akan semakin besar, sehingga tidak ada arus yang
mengalir yang mengakibatkan photransistor cut off, dimana Vout = Vcc. Photoransistor cut off akan dibaca oleh mikrokontroler sebagai logika high, ketika koin menghalangi sinar infra merah.
3.2.6 LCD (Liquid Crystal Display)
LCD (liquid crystal display) adalah suatu alat penampil dari bahan cairan
kristal yang pengoperasiannya menggunakan sistem dot matriks. Fungsi LCD pada rancangan ini digunakan untuk menampilkan hasil dari proses perhitungan mikrokontroler. Pada perancangan ini, LCD yang digunakan adalah LCD dengan tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah. Hubungan antara LCD dengan port mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 3.9.
Gambar 3.9 Hubungan LCD ke Mikrokontroler
Pada rangkaian Gambar 3.10, pin 1 LCD dihubungkan ke GND, pin 2 dihubungkan ke VCC, pin 3 ke Port C2, pin 4 merupakan Register Select (RS), pin 5 merupakan R/W(Read/Write), pin 6 merupakan enable, pin 7-11 merupakan data. Reset, R/W, clock dan data dihubungkan ke mikrokontroler Atmega8535.
3.2.7 Rangkaian Mikrokontroler ATMega 8535
Rangkaian mikrokontroler ATMega 8535 berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem. Rangkaian ini juga berfungsi untuk memproses masukan yang berasal dari tombol pengaturan (setting) pada perangkat keras. Di dalam mikrokontroler ATMega 8535 sudah terdapat fitur ADC.
ADC merupakan salah satu fitur mikrokontroler ATMega 8535 yang berfungsi untuk mengubah data analog menjadi data digital. Dalam hal ini ADC fungsinya sangat vital untuk bisa mengontrol pengisian baterai pada saat lemah dan penuh. Berikut tampilan rangkaian minimum mikrokontroler ATMega 8535 ditunjukkan pada Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Rangkaian Minimum Mikrokontroler ATMega 8535 Rangkaian I/O adalah semua rangkaian yang terhubung dengan mikrokontroler ATMega 8535, seperti tampak pada Gambar 3.10. Bandar-bandar yang digunakan untuk mengendalikan rangkaian I/O dapat dilihat pada tabel 3.2
Tabel 3.2 Spesifikasi PORT/Bandar yang digunakan
PORT/Bandar Bit Fungsi
A 7 Membaca tegangan baterai
B 1,2 Penggerak relay
C 0,1,2,4,5,6,7 Menampilkan LCD
D
0,1 Mendeteksi koin
2 Tombol Start
Men-download program ke mikrokontroler ATMega 8535 digunakan
programmer/downloader ISP (In System Programming). Keuntungan dari
program ISP adalah dapat memprogram mikrokontroler yang sedang terpasang dengan rangkaian lainnya tanpa harus mencabut/melepas mikrokontroler tersebut dari rangkaian. Jadi, tidak perlu lagi untuk bolak-balik mencabut chip mikrokontroler dari rangkaian untuk download program ke mikrokontroler tersebut. Downloader yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 3.11.