PERANCANGAN DAN REALISASI INVERTER
MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER ATMEGA168
Disusun Oleh : Daniel Wahyu Wicaksono
(0922036)
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Kristen Maranatha
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia
ABSTRAK
Inverter digunakan untuk mengkonversi tegangan listrik DC menjadi AC. Inverter berguna sebagai sumber listrik pada daerah yang belum terjangkau jaringan listrik dan bisa sebagai sumber listrik pengganti disaat terjadi pemadaman listrik dengan memanfaatkan sumber DC seperti baterai ataupun energi matahari (solar cell).
Pada tugas akhir ini telah dirancang dan direalisasikan sebuah inverter. Inverter direalisasikan dengan rangkaian h-bridge menggunakan power MOSFET yang dikendalikan oleh mikrokontroler ATmega168 untuk dapat menghasilkan output berupa sinus. Bentuk gelombang sinus diperoleh dari sinyal modulasi PWM dengan duty cycle yang berubah sebanding dengan amplituda sinus pada perioda tertentu. Rangkaian inverter menggunakan trafo untuk menaikkan tegangan sehingga dapat digunakan untuk menyalakan peralatan listrik.
Hasil pengujian menunjukan inverter dapat menghasilkan tegangan AC dengan bentuk gelombang yang mendekati sinus dengan frekuensi 50 Hz. Frekuensi dasar PWM yang membentuk ripple pada gelombang ouptut dapat dikurangi menggunakan capasitor. Sedangkan kemampuan inverter untuk mem-supply daya pada peralatan listrik sangat dipengaruhi oleh kualitas komponen dan efisiensi trafo yang digunakan.
DESIGN AND REALIZATION OF INVERTER
USING ATMEGA168 MICROCONTROLLER
Composed by :
Daniel Wahyu Wicaksono
(0922036)
Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering Maranatha Christian University
Jl. Prof. Drg. Suria Sumantri 65, Bandung 40164, Indonesia
ABSTRACT
Inverters are used to convert DC voltage to AC voltage. It was useful as power source in areas not reached by grid line and can be used as replacement power source when a power outage occurs by utilizing DC source as batteries or solar power (solar cell).
On this final project has been designed and realized an inverter. Inverter is realized by h-bridge circuit using power MOSFETs, that are controlled by the ATmega168 microcontroller so it can generate sinewave output. Sine waveforms obtained by modulate PWM signal with variable duty cycle on proportional value to the amplitude of the sine in a particular period . An inverter circuit using a transformer to raise the voltage so it can be used to power electrical equipment.
The test results showed the inverter managed to produce AC voltage with a sine waveform with a frequency approaching 50 Hz . PWM base frequency caused a ripple on the ouptut waveform then can be reduced using a capacitor. While the inverter ability to supply an electrical equipment is strongly influenced by the components quality and efficiency of the transformer.
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN
PERNYATAAN ORISINALITAS LAPORAN PENELITIAN PERNYATAAN PUBLIKASI LAPORAN PENELITIAN KATA PENGANTAR
1.2. Identifikasi Masalah ... 1
1.3. Rumusan Masalah ... 2
1.4. Maksud dan Tujuan... 2
1.5. Pembatasan Masalah ... 2
1.6. Spesifikasi Alat ... 3
1.7. Sistematika Laporan... 3
BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Inverter ... 5
2.1.1. Hafl-bridge VSI ... 5
2.1.2. Full-bridge VSI ... 6
2.2. Mikrokontroler ATmega168 ... 7
2.2.1. Fitur dan spesifikasi Atmel ATmega168 ... 8
2.2.2. Konfigurasi pin ATmega168... 11
2.3. Pembangkit Sinyal Sinus ... 13
2.4. Transistor ... 15
2.4.1. BJT ... 15
2.4.2. FET ... 19
2.5. Rangkaian H-bridge ... 23
2.6. Rangkaian Gate Driver ... 24
2.7. Trafo (Transformer) ... 25
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI INVERTER 3.1. Diagram Blok dan Prinsip Kerja ... 27
3.1.1. Pengontrol PWM ... 27
3.1.2. Inverter H-bridge MOSFET ... 29
3.2. Perancangan Hardware ... 30
3.4. Realisasi Hardware ... 36
BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISIS 4.1. Pengujian Sinyal Mikrokontroler ... 38
4.2. Pengujian Sinyal Output Gate Driver ... 40
4.3. Pengujian Sinyal Output AC ... 43
4.4. Pengujian Tegangan AC ... 45
BAB V SIMPULAN DAN SARAN 5.1. Simpulan ... 49
5.2. Saran ... 49
DAFTAR PUSTAKA ... 51
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Single-phase half-bridge VSI ... 6
Gambar 2.2. Single-phase full-bridge VSI ... 7
Gambar 2.3. Konfigurasi pin ATmega168 ... 11
Gambar 2.4. Output PWM dengan duty cycle bervariasi ... 13
Gambar 2.5. Modulasi PWM dengan output melalui filter ... 14
Gambar 2.6. Jenis transistor BJT ... 16
Gambar 2.7. Ilustrasi konfigurasi BJT ... 16
Gambar 2.8. Grafik daerah kerja BJT ... 17
Gambar 2.9. Transistor NPN sebagai switch kondisi cut-off ... 18
Gambar 2.10. Transistor NPN sebagai switch kondisi saturasi ... 19
Gambar 2.11. Daerah kerja FET ... 20
Gambar 2.12. Konstruksi dan simbol JFET ... 21
Gambar 2.13. Konstruksi dan simbol MOSFET ... 21
Gambar 2.14. Klasifikasi dan simbol FET ... 23
Gambar 2.15. Gambaran umum rangkaian H-bridge... 23
Gambar 2.16. Blok diagran IR2110 ... 25
Gambar 2.17. Konstruksi dan simbol trafo ... 26
Gambar 3.1.Diagram blok inverter ... 27
Gambar 3.2. Sinyal input pada gate ... 28
Gambar 3.3. Target sinyal output modulasi sinus ... 28
Gambar 3.4. Rangkaian IR2110 menurut datasheet... 31
Gambar 3.5. Rangkaian h-bridge MOSFET ... 31
Gambar 3.6. Rangkaian mikrokontroler... 32
Gambar 3.7. Rangkaian input (a) dan trafo output inverter (b) ... 32
Gambar 3.8. Diagram alir program ... 33
Gambar 3.9. Realisasi PCB inverter ... 37
Gambar 3.10. Realisasi inverter ... 37
Gambar 4.1. Titik pengamatan output mikrokontroler ... 38
Gambar 4.2. sinyal PWM pada timer0, OC0A atas, OC0B bawah ... 39
Gambar 4.4. sinyal input logic pada IR2110 (gate driver A) ... 39
Gambar 4.5. sinyal input logic pada IR2110 (gate driver B) ... 40
Gambar 4.6. titik pengukuran pada gate driver ... 41
Gambar 4.7. sinyal output gate A... 41
Gambar 4.8 sinyal output gate B ... 41
Gambar 4.9. sinyal output high-side ... 42
Gambar 4.10. sinyal output low-side ... 42
Gambar 4.11. sinyal PWM output h-bridge dengan input DC 15 volt ... 43
Gambar 4.12. sinyal PWM output h-bridge dengan input baterai ... 43
Gambar 4.13. sinyal output trafo dengan input DC 15 volt ... 44
Gambar 4.14. sinyal output trafo dengan input DC batterai 12 volt ... 44
Gambar 4.15. perbandingan sinyal input dan output trafo ... 44
Gambar 4.16. pengujian beban lampu CFL, input DC 15 volt ... 45
Gambar 4.17. pengujian beban lampu CFL, input DC baterai 12 volt ... 46
Gambar 4.18. pengujian beban lampu pijar, input DC 15 volt ... 46
Gambar 4.19. pengujian beban lampu pijar, input DC baterai 12 volt ... 46
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. switch state half-bridge VSI ... 6
Tabel 2.2. switch state full-bridge VSI ... 7
Tabel 2.3. fungsi pin ATmega168... 11
Tabel 2.4. karakteristik konfigurasi BJT ... 17
Tabel 2.5. switch state MOSFET berdasarkan tegangan bias VGS ... 22
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Listrik merupakan salah satu kebutuhan pokok yang sangat penting dalam kehidupan manusia. Bersamaan dengan perkembangan teknologi, kebutuhan akan listrik terus bertambah sehingga mempengaruhi kualitas listrik yang digunakan. Pertumbuhan dibidang industri membutuhkan supply tenaga listrik yang besar untuk mesin-mesin industri, kualitas listrik yang stabil pada peralatan sensitif di rumah sakit dan laboratorium, serta ketersediaan listrik pada daerah perumahan dan perkantoran.
Peningkatan kebutuhan listrik menyebabkan beberapa permasalahan, seperti berkurangnya kestabilan tegangan listrik, efisiensi arus yang ditarik dari jala-jala, dan permasalahan pemadaman listrik. Permasalahan diatas jelas merugikan, selain pekerjaan yang terhenti, kerusakan pada peralatan listrik yang sensitif pun dapat terjadi. Untuk menangani masalah itu implementasi teknologi inverter dapat dilakukan.
Inverter mengubah arus listrik DC menjadi AC, dengan pengaturan yang
tepat kualitas listrik yang dihasilkan akan lebih baik dan stabil. Dengan memanfaatkan sumber energi alternatif, inverter dapat digunakan di tempat yang belum memiliki energi listrik. Pada aplikasi lain, inverter digunakan sebagai UPS untuk melindungi peralatan listrik yang harus menyala terus-menerus.
1.2
Identifikasi Masalah
2
1.3
Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian diatas maka dibuat beberapa rumusan masalah dalam perancangan inverter sebagai berikut :
1. Bagaimana cara menghasilkan sinyal sinus menggunakan mikrokontroler?
2. Bagaimana cara untuk mendapatkan tegangan AC dari sumber tegangan DC?
3. Bagaimana cara untuk merealisasikan inverter menggunakan mikrokontroler?
4. Bagaimana bentuk gelombang yang diperoleh dari inverter?
1.4
Maksud dan Tujuan
Tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah untuk merealisasikan suatu inverter satu phasa menggunakan mikrokontroler AVR ATmega168. Inverter dirancang agar dapat memiliki output dengan bentuk gelombang sinus
yang dapat digunakan untuk men-supply tegangan pada peralatan listrik.
1.5
Pembatasan Masalah
Agar dapat mencapai sasaran dan tujuan yang diinginkan, pembahasan pada laporan penelitian ini dibatasi sebagai berikut :
1. Menggunakan mikrokontroler AVR ATmega168 sebagai pengontrol PWM pada inverter
2. Menggunakan trafo yang dijual dipasaran / toko elektronik untuk menaikkan tegangan AC
3. Supply DC pada inverter sebesar 15 volt, sebagai asumsi baterai dalam kapasitas penuh ataupun dalam kondisi terisi (charging)
3
1.6
Spesifikasi Alat
Spesifikasi Alat yang ingin direalisasikan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Input dari sumber tegangan DC dengan tegangan 15 volt 2. ATmega168 sebagai pengontrol PWM
3. Rangkain H-bridge menggunakan Power MOSFET IRF3205 dan menggunakan IC gate driver IR2110
4. Transformer 12v – 220v
5. Membatasi arus DC yang mengalir pada h-bridge sebesar 20 ampere menggunakan sekring (fuse) yang biasa digunakan untuk kendaraan (tipe blade)
6. Output tegangan AC gelombang sinus
1.7
Sistematika Laporan
Agar penulisan laporan tugas akhir ini dapat lebih terarah dan terstruktur, maka laporan ini dibagi menjadi lima bab, yaitu :
1. BAB I PENDAHULUAN
Membahas latar belakang, rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, spesifikasi alat yang dibuat, dan sistem penulisan.
2. BAB II LANDASAN TEORI
4
3. BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI INVERTER
Membahas perancangan dan realisasi inverter dengan menggunakan mikrokontroler ATmega168 baik dalam sisi hardware maupun software.
4. BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISA DATA
Membahas data-data yang diperoleh dari inverter yang dibuat dan kemudian dianalisa.
5. BAB V SIMPULAN DAN SARAN
BAB V
SIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan bab penutup yang berisi kesimpula dari hasil penelitian dan anaisis pada Tugas Akhir ini serta saran bagi pihak yang terkait berkenaan dengan “Perancangan dan Realisasi Inverter dengan Menggunakan Mikrokontroler ATmega168”.
5.1.
Simpulan
1. Perancangan dan realisasi inverter satu fasa menggunakan mikrokontroler ATmega168 berhasil dilakukan serta dapat menghasilkan output tegangan AC dengan bentuk gelombang yang mendekati sinus.
2. Sinyal PWM dapat mengatur h-bridge untuk menghasilkan tegangan AC sesuai dengan modulasi sinus PWM berdasarkan nilai-nilai pada lookup table yang dibuat.
3. Kekurangan inverter pada tugas akhir ini, adalah tegangan output belum mencapai 220 volt, serta penurunan tegangan saat men-supply beban karena adanya tahanan dalam pada inverter
4. Tegangan output yang mampu dihasilkan tanpa beban sebesar 173 volt, turun ke angka 160 volt dengan beban lampu CFL, dan 140 volt untuk bebab lampu pijar
5. Efisiensi trafo yang buruk membuat efisiensi keseluruhan inverter rendah
5.2.
Saran
1. Mengganti penggunaan trafo dengan trafo stepup khusus (custom) 12v – 220v, sehingga didapat efisiensi yang lebih baik dan dapat disesuaikan dengan kebutuhan rangkaian yang dibuat dan ukuran trafo yang diperlukan.
2. Membuat pengontrol dengan sistem closed loop yang menggunakan feedback, sehingga dapat mengoreksi output inverter jika terjadi
50
3. Melakukan perhitungan lebih lanjut pada disipasi daya MOSFET untuk memaksimalkan efisiensi dan penggunaan pendingin (heatsink) yang tepat. 4. Menambahkan fungsi tambahan pada mikrokontroler sehingga dapat digunakan menjadi UPS yang dapat mengisi (charge) baterai dan mengatur transisi pemindahan daya yang dipakai antara jala-jala listrik dan energi alternatif.
DAFTAR PUSTAKA
[1.] Rashid, M.H, “POWER ELECTRONICS HANDBOOK”, ACADEMIC
PRESS, 2001.
[2.] - , “AN-2296 SM72295 Highly Integrated Gate Driver for 800VA to 3KVA
Inverter”, http://www.ti.com/lit/an/snva678b/snva678b.pdf, (diakses tanggal
26 Agustus 2013)
[3.] - , “AN-978 : HV Floating MOS-Gate Driver ICs”,
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf, (diakses tanggal 21 Februari 2014)
[4.] - , “ATmega48p/88p/168p/328p datasheet”.,
http://www.atmel.com/Images/8161s.pdf, (diakses tanggal 26 Agustus 2013)
[5.] - , “AVR131: Using the AVR’s High-speed PWM”,
http://www.atmel.com/Images/doc2542.pdf, (diakses tanggal 26 Agustus 2013)
[6.] - , “DT98-2a : Bootstrap Component Selection for Control IC’s.”,
http://www.irf.com/technical-info/designtp/dt98-2.pdf, (diakses tanggal 21 Februari 2014)
[7.] - , “PWM Sine Wave Generation”,
http://www.csulb.edu/~hill/ee470/Lab%202d%20-%20Sine_Wave_Generator.pdf, (diakses tanggal 21 Februari 2014)
[8.] - , “Transformer Basics”.,
http://www.electronics-tutorials.ws/transformer/transformer-basics.html., (diakses tanggan 24 Mei 2014)
[9.] - , “Transistor tutorial”., http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/,
(diakses tanggal 21 Februari 2014)
[10.] Dixit, Sanjay., Ambreesh Tripathi., Vikas Chola., “800VA Pure Sine Wave
Inverter’s Reference Design”, http://www.ti.com/lit/an/slaa602/slaa602.pdf,
(diakses tanggal 26 Agustus 2013)
[11.] Doucet, Jim., Dan Eggles., Jeremy Shawn., “PWM Techniques: A Pure Sine
Wave Inverter”,
http://www.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-042711-190851/unrestricted/PWM_Techniques_final.pdf, (diakses tanggal 3 September 2013)
[12.] Mahbub, Syed Tahmid., “Using the high-low side driver IR2110”.,
http://tahmidmc.blogspot.com/2013/01/using-high-low-side-driver-ir2110-with.html, (diakses tanggal 6 Maret 2014)
[13.] Rich, Oliver., William Chapman , “Three-Level PWM DC/AC Inverter
Using a Microcontroller”,
