RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN PENGECASAN BATERAI DAN LAMPU PENERANGAN OTOMATIS BERTENAGA SURYA BERBASIS ATMEGA 328
TUGAS AKHIR
RUTH VERONICA SITANGGANG 172408027
PROGRAM STUDI D-3 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2020
RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN PENGECASAN BATERAI DAN LAMPU PENERANGAN OTOMATIS BERTENAGA SURYA BERBASIS ATMEGA 328
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Melengkapi Tugas Dan Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Ahli Madya
RUTH VERONICA SITANGGANG 172408027
PROGRAM STUDI D-3 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2020
PERNYATAAN ORISINALITAS
RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN PENGECASAN BATERAI DAN LAMPU PENERANGAN
OTOMATIS BERTENAGA SURYA BERBASIS
MIKROKONTROLER
ATMEGA 328
TUGAS AKHIR
Saya menyatakan bahwa tugas akhir ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing masing disebutkan sumbernya.
Medan, 10 Juli 2020
Ruth Veronica Sitanggang 172408027
RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN PENGECASAN BATERAI DAN LAMPU PENERANGAN OTOMATIS BERTENAGA SURYA
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 328
ABSTRAK
Tujuan pembuatan tugas akhir yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai Dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya Berbasis Mikrokontroler Atmega 328” adalah untuk dapat menyimpan energi matahari walaupun intensitas matahari masih sangat lemah, misalnya di pagi hari, sore hari, dan pada saat hari mendung.
Metode yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah metode rancang bangun.
Langkah-langkah metode rancang bangun adalah tahap persiapan, tahap pembuatan, tahap perancangan, dan tahap pengujian. Perancangan perangkat keras terdiri dari panel surya, Mikrokontroler Atmega 328, sensor arus, sensor tegangan, rangkaian boost converter, Aki, LCD dan rangkaian lainnya. Solar Cell sebagai alat untuk mengkonversi cahaya matahari ke dalam bentuk energi listrik yang akan disimpan dalam accumulator. Untuk mendapatkan tegangan pengisian accu diperlukan suatu rangkaian DC to DC converter yang berfungsi menaikkan tegangan. Guna mendapatkan tegangan konstan dari converter dilakukan pengaturan duty cycle dengan cara memberikan umpan balik dari tegangan keluaran DC to DC converter itu sendiri sebagai charging baterai.
Kata kunci: DC To DC Converter, Duty Cycle, Mikrokontroler, Panel Surya
DESIGN CONTROL SYSTEM
BATTERY CHARGING AND AUTOMATIC LIGHTS WITH SOLAR POWERED BASED MICROCONTROLLER ATMEGA 328
ABSTRACT
The purpose of making the final project entitled " Design Control System Battery Charging And Automatic Lights Solar Powered Based Microcontroller Atmega 328 " is to be able to store solar energy even though the sun's intensity is still very weak, for example in the morning, afternoon, and on cloudy days .
The method used in this final project is the design method. The steps of the design method are the preparation stage, the manufacturing stage, the design phase, and the testing phase. The hardware design consists of solar panels, Atmega 328 Microcontroller, current sensor, voltage sensor, boost converter circuit, Battery, LCD and other circuits. Solar Cell as a tool to convert sunlight into the form of electrical energy that will be stored in the accumulator. To get the charging voltage, a series of DC to DC converter is needed which functions to increase the voltage. To get a constant voltage from the converter, the duty cycle setting is done by providing feedback from the DC to DC converter output voltage as battery charging.
Keywords: DC To DC Converter, Duty Cycle, Microcontroller, Solar Panel
PENGHARGAAN
Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan karunia dan rahmatNya, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan judul Rancang Bangun Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya Berbasis Mikrokontroler Atmega 328. Penulisan laporan tugas akhir ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mencapai gelar Ahli Madya. Penulis menyadari bahwa, tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan laporan tugas akhir ini. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Dr. Kerista Sebayang, MS. selaku dekan Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Drs. Takdir Tamba, M.Eng, Sc selaku ketua program studi D3 Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si. selaku dosen pembimbing yang telah menyediakan waktu, tenaga dan pikiran untuk mengarahkan penulis dalam penyusunan laporan tugas akhir ini;
4. Bapak Drs. Aditia Warman, M.Si selaku sekretaris Program Studi D3 Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara.
5. Seluruh Bapak/Ibu staf pengajar dan staf pegawai administrasi di lingkungan Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara;
6. Orang tua penulis yang memberikan dorongan dan motivasi sehingga laporan ini dapat diselesaikan dengan baik;
7. Rekan-rekan Mahasiswa D3 Fisika yang telah banyak memberikan dukungan, terkhusus kepada Mahasiswa angkatan tahun 2017.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas segala kebaikan semua pihak yang telah membantu. Semoga laporan laporan tugas akhir ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.
Medan, 10 Juli 2020
Ruth Veronica Sitanggang
DAFTAR ISI
HALAMAN DEPAN ... i
PERNYATAAN ORISINALITAS ... ii
PENGESAHAN TUGAS AKHIR ... iii
ABSTRAK ... iv
ABSTRACT ... v
PENGHARGAAN ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL... xi
BAB 1 : PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah... 2
1.4 Tujuan ... 2
1.5 Manfaat ... 3
1.6 Metode Penelitian ... 3
1.7 Sistematika Penulisan ... 3
BAB 2 : TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Mikrokontroler ... 5
2.2 Panel Surya ... 8
2.4 Baterai ... 14
2.4.1 Baterai Primer ... 15
2.4.2 Baterai Sekunder ... 16
2.5 PWM (Pulse Width Modulation) ... 18
2.6 DC TO DC CONVERTER ... 20
2.7 MPPT ... 20
2.8 Sensor Tegangan ... 21
2.9 Sensor Arus ACS712 ... 22
2.10 Charger ... 22
BAB 3 : PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 3.1 Metodologi Perancangan ... 23
3.1.1 Tahap Persiapan ... 23
3.1.2 Tahap Pembuatan Sistem ... 25
3.1.3 Tahap Pengukuran, Analisis Dan Kesimpulan ... 32
3.2 Perancangan Sistem ... 32
3.2.1 Diagram Blok Sistem ... 32
3.2.2 Perancangan Rangkaian ... 33
3.2.3 Perancangan Perangkat Lunak Sistem ... 34
3.3 Pengujian Rangkaian Dan Pengukuran Hasil Sistem ... 36
3.3.1 Pengujian Minimum Sistem ATMEGA 328 ... 36
3.3.2 Pengujian Sensor Arus ... 36
3.3.3 Pengujian Sensor Tegangan ... 36 3.3.4 Pengukuran Hasil Sistem ... 37 BAB 4: PEMBAHASAN HASIL PENGUKURAN
4.1 Analisis Hasil Pengukuran Dan Pembandingan Dengan Hasil Standar ... 38 4.1.1 Hasil Pengukuran Sensor Arus Acs712 ... 38 4.1.2 Hasil Pengukuran Sensor Tegangan... 38
BAB 5: PENUTUP
5.1 Kesimpulan ... 39 5.2 Saran ... 39 DAFTAR PUSTAKA ... 40 LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Nomor gambar
Judul Halaman
2.1 Arsitektur Mikrokontroler 5
2.2 IDE Arduino 6
2.3 Arduino Uno 6
2.4 Arduino Nano 7
2.5 Panel Surya 8
2.6 Aki 17
2.7 Rangkaian PWM Analog 18
2.8 Pembentukan Sinyal PWM 19
2.9 Duty Cycle dan Resolusi PWM 20
3.1 Rangkaian Panel Surya 25
3.2 Rangkaian Boost Converter 25
3.3 Rangkaian Arduino Uno 26
3.4 Skema Rangkaian Charger 26
3.5 Rangkaian Sensor Tegangan 27
3.6 Rangkaian Sensor Arus Acs712 27
3.7 PWM (Pulse Width Modulation) 28
3.8 Rangkaian LCD 16 x 2 28
3.9 Memulai Eagle 29
3.10 Menu ADD pada Eagle 29
3.11 Skematik PCB 29
3.12 Menu Size Pada Eagle 30
3.13 Menu Clearance Pada Eagle 30
3.14 Board PCB Pada Eagle 30
3.15 PCB yang Telah Dibor 31
3.16 Diagram Blok Sistem 33
3.17 Perancangan Alat 34
3.18 Pengujian Sensor Arus 36
3.19 Pengujian Sensor Tegangan 36
DAFTAR TABEL
Nomor Tabel
Judul Halaman
3.1 Pengukuran Hasil Sistem 37
4.1 Data Hasil Pengujian Sensor Arus 38
4.2 Data Hasil Pengujian Sensor Tegangan 38
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 LATAR BELAKANG
Energi terbarukan merupakan salah satu dari energi alternatif sebagai pengganti bahan bakar untuk pembangkit listrik. Diantaranya yaitu Energi surya.
Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel yang disebut foton (Istiyo Winarno. Dkk, 2017).
Prinsip kerja Panel surya adalah dengan memanfaatkan teori cahaya sebagai partikel. Sebagaimana diketahui bahwa cahaya baik yang tampak maupun yang tidak tampak memiliki dua buah sifat yaitu sebagai gelombang dan sebagai partikel yang disebut foton (Beiser,1987). Dengan menggunakan sebuah divais semikonduktor yang memiliki permukaan luas dan terdiri dari rangkaian diode p dan n, cahaya yang datang akan mampu diubah menjadi energi listrik (Kwok, 1995). Panel Surya dibagi bermacam-macam menurut dayanya antara lain yang dijual di pasaran yaitu 10Wp, 20Wp, 30Wp, 40Wp, dll tergantung dari berapa besar daya yang diperlukan sesuai dengan kebutuhannya (Istiyo Winarno. Dkk, 2017).
Sinar matahari yang tidak konstan akan mempengaruhi besarnya tegangan dan arus yang dihasilkan oleh solar cell. Oleh karena itu, konversi tegangan berguna dalam proses perubahan besar tegangan yang dihasilkan solar cell sesuai dengan spesifikasi baterai. Untuk proses penyimpanan energi pada baterai, diperlukan pengontrolan sehingga tidak terjadi over charging. Hal ini senada dengan penelitian yang menyatakan bahwa besaran listrik yang dihasilkan dari solar cell akan mempengaruhi umur baterai dan lampu LED sehingga diperlukan sebuah sistem kontrol tegangan dan arus. Untuk proses penggunaan dari energi yang telah disimpan diperlukan perangkat yang mampu mempertahankan tegangan output seiring dengan berkurangnya kapasitas pada baterai. Jenis baterai, besarnya tegangan, dan arus pengisian, menjadi patokan dalam pembuatan dan pemilihan spesifikasi alat.
Di sisi lain, tegangan yang dihasilkan oleh solar cell bervariasi tergantung intensitas cahaya yang diterima. Nilai tegangan tertinggi tersebut dapat dilihat dari spesifikasi modul solar cell. Besar tegangan tersebut akan diatur sesuai dengan
spesifikasi baterai. Kondisi baterai terisi penuh atau tidak penuh dapat dilihat dari besar tegangan yang dihasilkan. Jika baterai dalam keadaan penuh melakukan pengisian, akan menyebabkan over charging. Untuk itu diperlukan sistem kontrol yang mengatur ON-OFF pengisian baterai (Ihsan Auditia A. Dkk, 2019).
Oleh karena itu, pada tugas akhir ini, akan dirancang sebuah sistem dengan judul “Rancang Bangun Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai Dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya Berbasis Atmega 328.”
1.2 RUMUSAN MASALAH
Berdasarkan uraian diatas, penulis tertarik untuk mengangkat dan merancang sebuah Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya. Dimana pada perancangan ini akan digunakan sebuah mikrokontroller Atmega 328. Pada perancangan ini akan dirumuskan masalah:
1. Bagaimana prinsip kerja alat Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya Berbasis Atmega 328?
1.3 BATASAN MASALAH
Mengingat keterbatasan waktu dan untuk menghindari topik yang tidak perlu maka penulis membatasi pembahasan pembuatan alat ini. Adapun batasan masalah ini adalah :
1. Menggunakan mikrokontroller Atmega 328.
2. Menggunakan LCD 16x2.
3. Menggunakan baterai 12V 7Ah.
4. Menggunakan DC to DC Converter Xl6009.
1.4 TUJUAN
Tujuan dari penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Untuk dapat menyimpan energi matahari walaupun intensitas matahari masih sangat lemah, misalnya di pagi hari, sore hari, dan pada saat hari mendung.
1.5 MANFAAT
Manfaat dari penulisan tugas akhir ini adalah :
1. Dapat menjadi tandingan solar cell controller type MPPT
2. Dapat digunakan sebagai solar charger yang mobile seperti pemasangan charger untuk baterai dari panel surya yang terpasang pada atap mobil atau kendaraan pribadi.
1.6 METODE PENELITIAN
Dalam menyelesaikan tugas akhir ini, langkah-langkah yang dilakukan adalah sebagai berikut :
1. Studi Literatur dan Diskusi
Merupakan metode yang dilakukan oleh penulis dengan membaca buku, diskusi dengan dosen pembimbing, mengunjungi dan mempelajari website atau situs-situs yang berhubungan dengan pembuatan Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya.
2. Perancangan Konsep
Metode perancangan desain dan bentuk alat ukur yang dilakukan penulis.
3. Perancangan dan Pembuatan Alat
Merupakan proses dalam membuat alat ukurnya.
4. Analisis dan Pengujian
Metode Analisis dan Pengujian dimaksudkan untuk mengetahui sejauh mana alat yang dibuat pada tugas proyek ini dapat berfungsi sesuai dengan yang diharapkan
5. Penyusunan Laporan
Tahap akhir pada tugas proyek ini adalah penyusunan laporan dengan tahap- tahap diatas.
1.7 SISTEMATIKA PENULISAN
Untuk mempermudah penulisan tugas akhir ini, penulis membuat suatu sistematika penulisan yang terdiri dari :
1. BAB I: PENDAHULUAN
Bab ini akan membahas latar belakang tugas akhir, identifikasi masalah, batasan masalah, tujuan, metode penelitian, tinjauan pustaka, dan sistematika penulisan.
2. BAB II: LANDASAN TEORI
Bab ini akan menjelaskan tentang teori pendukung yang digunakan untuk pembahasan.
3. BAB III: PERANCANGAN ALAT
Bab ini membahas tentang perencanaan dan pembuatan sistem secara keseluruhan.
4. BAB IV: HASIL DAN PEMBAHASAN
Berisi tentang uji coba alat yang telah dibuat, pengoperasian dan spesifikasi alat dan lain-lain.
5. BAB V: KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi tentang kesimpulan dan saran yang mungkin bermanfaat.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 MIKROKONTROLER
Mikrokontroller merupakan salah satu bentuk mikrokomputer dengan desainnya yang khusus dibuat dalam sebuah chip. Oleh karena itu bisa dikatakan bahwa mikrokontroller berisikan sistem mikroprosesor atau yang sering disebut dengan CPU (Central prosessing unit). Sekalipun mikrokontroler berisi mikroprosesor seperti halnya di komputer, mikrokontroler ini umumnya desain menggunakan register, ALU, dan control unit untuk digunakan pada aplikasi yang tidak seberat di komputer. Kita bisa mengatakan bahwa mikrokontroler merupakan perangkat yang pintar, namun demikian sebenarnya yang pintar adalah perangkat mikroprosesor yang ada didalam mikrokontroler tersebut.
Sumber: Ahyadi, 2018
Gambar 2.1 Arsitektur Mikrokontroler
Mikroprosesor merupakan perangkat yang pintar karena dapat membaca, menerjemahkan dan melaksanakan instruksi instruksi yang diberikan kepadanya termasuk melakukan operasi aritmatika dan logika. Kepintaran mikroprosesor, digabung dengan ketersediaan piranti (rangkaian elektronik) tambahan di dalam mikrokontroler sehingga mampu bekerja untuk berbagai aplikasi. Piranti ini adalah memori (RAM dan ROM), port I/O, timer, piranti untuk komunikasi serial dll.
Arduino merupakan prototyping platform yang bersifat open-source, menggunakan perangkat keras dan perangkat lunak yang mudah digunakan.
Hardware dan software arduino didesain agar mudah digunakan oleh pemula yang tidak memiliki pengalaman programming dan pengetahuan tentang elektronika.
Hardware arduino berupa papan pengembangan yang berisi mikrokontroler AVR buatan Atmel. Software arduino terdiri dari bahasa pemograman dan Integrated
Develoment Environment (IDE) yang gratis untuk di download dan digunakan. IDE ini memungkinkan kita untuk menulis, mengedit program dan mengkonversinya menjadi kode kodeinstruksi untuk selanjutnya dirogramkan pada papan arduino (arduino board).
Sumber: Ahyadi, 2018 Gambar 2.2 IDE Arduino
Berikut adalah beberapa kelebihan arduino: IDE arduino bersifat multi- platform (bisa dijalankan di windows, macintoshdan linux) dan mudah digunakan, papan arduino dapat diprogram menggunakan kabel USB, bukan melalui port serial, hardware dan softwarenya bersifat open source, sehingga kita bisa menggunakan skema rangkaiannya dan membuat sendiri papan arduino tanpa membayar pada penciptanya. Terdapat banyak pilihan perangkat keras Arduino yang bisa berupa:
board, modul, shield maupun kit. (Dharmawan, 2017)
Arduino adalah suatu open-source platform elektronik yang berbasis kemudahan penggunaan (easy to use) baik hardware maupun software. Core dari arduino adalah mikrokontroler dari bermacam-macam tipe. Arduino jenis uno, nano dan promini menggunakan mikrokontroler AVR yang sama yaitu AT Mega 328.
Perbedaannya terletak pada ada tidaknya rangkaian penyearah dan chip CH-340 sebagai pengubah serial ke USB.
Sumber: Ahyadi, 2018 Gambar 2.3 Arduino Uno
Sumber: Ahyadi, 2018 Gambar 2.4 Arduino Nano
Arduino mempunyai keunggulan dibandingkan dengan sistem mikrokontroler lainnya, berikut ini:
1. Banyak library yang sudah tersedia sehingga pemrogram dengan level awal pun dapat menggunakannya dengan mudah. Library tersedia banyak di internet, ope-source dan free, disertai dengan contoh-contoh menggunakannya.
2. Harganya sangat murah karena pengawatan berlisensi free, maka banyak perusahaan yang mengopi pengawatannya dan memproduksinya sehingga di pasaran harganya bersaing.
3. Mudah digunakan. Disertai dengan program IDE arduino yang dapat diunduh di internet dengan gratis. Banyak IDE untuk mikrokontroler AVR, namun untuk versi full harus bayar.
4. Langsung bisa dapat diprogram hanya dengan menggunakan kabel USB biasa.
5. Tidak memerlukan power yang besar, bahkan hanya dengan menggunakan power dari port USB komputer sistem arduino sudah dapat diprogram dan run.
Meskipun begitu banyaknya keunggulan Arduino, namun ada beberapa kekurangan, yaitu:
1. Program yang dihasilkan lebih lambat dan lebih besar
2. Tidak mengetahui lebih dalam mengenai arsitektur mikrokontroler AVR.
Port input output pada arduino dapat dialamatkan sebagai bit maupun byte.
Untuk pengalamatan secara bit dapat menggunakan perintah Arduino dengan perintah digitalwrite, digitalRead dan pinmode.sedangkan untuk pengalamatan byte dapat menggunakan intruksi assignment Bahasa C dengan mengirim output secara byte pada rigister PORTx dan DDRx, atau membaca register PINx, contoh
DDRD=0xff, PROTD=0XB4, ini DATA=PIND (Ahyadi, 2018).
2.2 PANEL SURYA
Sel surya atau sel fotovoltaik, adalah sebuah alat semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek fotovoltaik. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebugai photovoltaics. Sel surya ini untuk pertama kali ditemukan oleh seorang ahli bernama Edmund Becquerel, yang dalam penemuannya menemukan efek fotovoltaic.
Kemudian alat ini mengalami perkembangan yang cukup berarti. Pada awal mula sel surya dibuat dengan selenium wafers. Sekarang menggunakan berbagai macam bahan seperti material piezoeletric, yang mengalami deformasi ketika mengalami suatu beban, atau perubahan temperatur. Kemudian ilmuwan Albert Einstein yang mendapat hadiah Nobel atas teori tentang efek photoelectric. Di bidang antariksa, negara AS berhasil meluncurkan pesawat luar angkasa nimbu dengan sel surya sebagai sumber keperluan di dalam pesawat tersebut. Jepang menggunakan sel surya untuk pembangunan rumah kaca. Dan perkembangan terakhir sel surya adalah dipakai sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya, yang dibuat pertama kali di California tahun 1982.
Sumber: Prasetyo, 2017 Gambar 2.5 Panel Surya
Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.
Struktur solar cell telah dibuat menggunakan teknik pemendapan film spincoating dari bahan Kuprum phthalocyanine (CuPc) dicampurkan dengan bahan polyvinylidence (PVdF) kemudian di-dop dengan bahan 8% bahan Chloranil dengan ketebalan lapisan 4 mm yang diendapkan di atas substrat dari lapisan Indium Tin
Oxide (ITO). Lapisan elektrode dibuat dari bahan Indium. Meskipun efisiensi yang diperoleh masih rendah (2%) jika dibandingkan dengan solar cell yang sudah ada sekarang yang dibuat dari bahan silikon, namun hasil tersebut telah menunjukkan prospek daripada bidang elektronika molekul. Sejalan dengan perkembangan eksplorasi bahan baru maka efisiensi tersebut dimungkinkan akan selalu meningkat.
Listrik tenaga matahari dibangkitkan oleh komponen yang disebut solar cell yang besarnya sekitar 10-15 cm persegi. Komponen ini mengkonversikan energi dari cahaya matahari menjadi energi listrik. Solar cell merupakan komponen vital yang umumnya terbuat dari bahan semikonduktor. Multicrystalline dan monocrystalline silikon menghasilkan efisiensi yang relatif lebih tinggi daripada amorphous silikon.
Sedangkan amorphus silikon dipakai karena biaya yang relatif lebih rendah. Selain dari bahan nonorganik diatas dipakai pula molekul-molekul organik walaupun masih dalam tahap penelitian.
Salah satu yang diukur dalam kerja solar cell adalah efisiensi. Yaitu persentase perubahan energi cahaya matahari menjadi energi listrik. Photovoltaic (PV) cells terbuat dari material khusus yang disebut semikonduktor seperti silikon.
Pada dasarnya ketika cahaya mengenai cells, sebagian dari cahaya tersebut diserap oleh bahan semikonduktor. Energi yang diserap tersebut membuat elektron menjadi merenggang dan menyebabkan elektron lebih bebas bergerak. PV cells juga mempunyai satu atau lebih medan listrik yang memaksa elektron untuk bergerak dengan arah tertentu. Aliran elektron ini merupakan arus listrik, dan dengan menempatkan menghubungkan dengan logam di atas dan di bawah PV cells, maka kita bisa mengalirkan listrik ke luar.
Pada solar cell terdapat ketidakmurnian silikon karena ada atom lain yang berikatan dengan atom silikon. Ketidakmurnian ini menyebabkan orbit terluar pada atom silikon atom terdapat phosphorous. Phosphorous ini memiliki 5 elektron pada orbit terluar. Atom tersebut berikatan satu sama lain dengan atom tetangga, namun menyebabkan satu elektron lagi tidak memiliki pasangan Hal ini menyebabkan masih ada proton positif untuk menjaga atom tersebut pada posisinya.
Ketika energi ditambahkan pada silikon murni menyebabkan beberapa elektron terbebas dari ikatan dan meninggalkan atom sehingga terjadilah hole.
Elektron ini kemudian berpencar secara acak di sekitar crystalline lattice dan
mencari hole lain untuk ditempati. Elektron ini disebut free carrier dan bisa membawa arus listrik. Proses menambahkan impurities disebut doping, ketika men- doping phosphorous menghasilkan silikon jenis N. Pada solar cell terdapat juga silikon tipe P yang di doping oleh atom boron. Silikon tipe P mempunyai hole bebas.
Hole kekurangan elektron sehingga membawa opposite charge (positif).
Setiap PV cell harus memiliki medan listrik agar cell dapat bekerja. Medan listrik didapatkan ketika silikon tipe N dan tipe P dihubungkan satu sama lain.
Elektron bebas pada sisi N akan mencari hole pada tipe P dan akan terjadi aliran elektron untuk mengisi hole tersebut. Sebelum terjadi aliran ini, elektron yang berlebih diimbangi dengan kelebihan proton pada phosphorius, hole diimbangi dengan kehilangan proton pada boron. Ketika hole dan elektron bersatu pada junction antara tipe N dan tipe P tidak semua elektron bebas mengisi hole.
Pada junction, mereka akan bercampur dan akan membentuk pembatas (barrier) akan menyebabkan elektron pada tipe N lebih sulit untuk menyeberang ke hole pada tipe P. Ketika itu terjadilah keseimbangan dan terbentuk medan listrik yang terpisah. Medan listrik ini berfungsi seperti dioda, terjadi aliran elektron dari sisi P ke sisi N tapi tidak bisa terjadi aliran dari sisi N menuju sisi P.
Ketika cahaya dalam bentuk photon mengenai solar cell, energinya akan membebaskan pasangan-pasangan elektron-hole. Setiap photon dengan energi yang cukup akan membebaskan satu elektron dan menyebabkan hole bebas juga. Ketika hal ini terjadi di dekat medan listrik, medan akan mengirim elektron ke sisi N dan hole ke sisi P. Jika kita mempunyai rangkaian listrik di luar maka elektron-elektron tadi akan mengalir melalui rangkaian ke sisi asal (sisi P) untuk mempersatukan dengan hole. Aliran elektron menyebabkan solar celarus listrik dan medan listrik pada cell menyebabkan tegangan.
Tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu solar cell sangat kecil maka beberapa solar cell harus digabungkan sehingga terbentuklah satuan komponen yang disebut module. Produk yang dikeluarkan oleh industri-industri solarc ell adalah dalam bentuk module ini. Pada aplikasinya, karena tenaga listrik yang dihasilkan oleh satu module masih cukup kecil (rata-rata maksimum tenaga listrik yang dihasilkan 130 W) maka dalam pemanfaatannya beberapa module digabungkan dan terbentuklah apa
yang disebut array. Sebagai contoh untuk menghasilkan listrik sebesar 3 kW dibutuhkan array seluas kira-kira 20 - 30 meter persegi (Iskandar, 2015).
Secara umum, panel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai. Panel surya terdiri dari photovoltaic, yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya. Saat intensitas cahaya berkurang (berawan, hujan, mendung) arus listrik yang dihasilkan juga akan berkurang. Dengan menambah panel surya (memperluas) berarti menambah konversi tenaga surya. Umumnya panel surya dengan ukuran tertentu memberikan hasil tertentu pula. Contohnya ukuran 𝑎 𝑐𝑚 × 𝑏 𝑐𝑚 menghasilkan listrik DC sebesar x Watt per hour.
Kepadatan daya (power density) adalah daya yang dapat diperoleh oleh suatu bahan semikonduktor yang memanfaatkan energi cahaya matahari yaitu jumlah daya cahaya matahari yang dapat ditangkap persatuan luasan. Istilah kepadatan daya pada panel surya ini dikenal sebagai Solar Cell Irradiation dalam satuan mW/cm2 atau W/m2 bahkan KW/m2.
Berikut adalah bahan-bahan yang dipakai sebagai bahan pembuatan solar sel antara lain sebagai berikut :
a. Mono-crystalline
Dibuat dari silikon kristal tunggal yang didapat dari peleburan silikon dalam bentuk bujur. Sekarang monocrystalline dapat dibuat setebal 200 mikron dengan nilai efisiensi 24%.
b. Poly-crystalline/Multi-crystalline (Si)
Dibuat dari peleburan silikon dalam tungku keramik kemudian pendinginan perlahan untuk mendapatkan bahan campuran silikon yang akan timbul diatas lapisan silikon. Sel ini kurang efektif dibandingkan dengan sel polycrystalline (efektifitas 18%), tetapi biaya lebih murah.
c. Gallium Arsenide (GaAs)
Sel surya III-V semikonduktor yang sangat efisien sekitar 25%. Karakteristik kerja dari sel surya ketika sinar matahari jatuh pada diode silikon (silicon cell) yang menghasilkan foton, secara konstan yang akan menghasilkan energi berkisar ±0.5 voltmax. 600 mV pada 2A, dengan kekuatan radiasi sinar matahari 1000 W/m2 = “1 sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm² per sel surya.
Cara kerja panel surya sebenarnya identik dengan piranti semikonduktor dioda. Bila panel surya dikenakan pada sinar matahari, maka timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan n dan ke arah lapisan p.
Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-hole itu melintasi pn junction, timbul beda potensial pada kedua ujung panel surya. Jika pada kedua ujung panel surya diberi beban maka timbul arus listrik yang mengalir melalui beban. Daya listrik yang dihasilkan panel surya ketika mendapat cahaya diperoleh dari kemampuan perangkat panel surya tersebut untuk memproduksi tegangan ketika diberi beban dan arus melalui beban pada waktu yang sama. Faktor-faktor yang mempengaruhi unjuk kerja/performansi dari panel surya:
1. Bahan pembuat panel surya.
2. Resistansi beban
3. Intensitas cahaya matahari 4. Suhu/temperatur panel surya.
5. Bayangan/shading.
Terdapat beberapa kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh panel surya.
Kelebihan-kelebihan yang menyebabkan panel surya banyak dikembangkan diantaranya:
1. Membutuhkan waktu yang singkat dalam perencanaan, instalasi, dan pembuatan plant baru.
2. Bersifat modular (modul-modul), sehingga praktis 3. Pemakaian daya mudah disesuaikan dengan kebutuhan.
4. Mempunyai life time yang lama dan perawatan yang mudah karena komponen bersifat statis.
5. High mobile dan portable karena tidak terlalu berat.
Selain memiliki kelebihan, panel surya juga memiliki beberapa kekurangan, diantaranya:
1. Karena energi didapat dari matahari, maka panel surya tidak dapat bekerja pada malam hari.
2. Pengaturan tegangan keluar hanya dapat melalui sistem elektrik.
3. Harga panel surya yang masih tergolong mahal.
Selain pengaruh cahaya, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi besar tegangan keluar dari panel surya, diantaranya:
1. Radiasi Matahari
Tegangan keluaran panel surya tidak terlalu terpengaruh terhadap cahaya matahari. Namun arus keluar sangat terpengaruh oleh intensitas cahaya matahari yang jatuh diatas permuakaan panel surya. Dengan terpengaruhnya arus keluar terhadap intensitas cahaya, ini berarti efisiensi kerja dari panel surya sangat dipengaruhi oleh intensitas cahaya matahari. Hal ini merupakan karakteristik dari arus dan tegangan terhadap intensitas cahaya matahari. Terlihat bahwa tegangan tidak terpengaruh, namun arus akan terpengaruh yaitu ketika intensitas cahaya turun maka arusnya kecil dan saat intensitas cahaya naik maka arus akan bertambah besar.
Panel surya sangat terpengaruh dengan radiasi matahari, semakin besar nilai radiasi matahari maka efisiensi panel surya juga semakin meningkat.
2. Sudut Datang Cahaya
Panel surya akan menghasilkan tegangan dan arus keluaran maksimum saat sudut datang cahaya tegak lurus atau 90º terhadap permukaan panel surya. Nilai tegangan keluar sel surya akan turun dengan fungsi cosines sampai pada sudut 50º.
Setelah melebihi sudut 50º, penurunan tegangan keluar akan signifikan.
3. Pengaruh Temprature
Sebuah Panel surya dapat beroperasi secara maksimum jika temperatur sel tetap normal (pada 25°C), kenaikan temperatur lebih tinggi dari temperatur normal pada panel surya akan melemahkan tegangan keluaran (Voc). Setiap kenaikan temperatur panel surya 1°C (dari 25°C) akan berkurang sekitar 0.4 % pada total tenaga yang dihasilkan akan melemah 2x lipat untuk kenaikkan temperatur sel per 10°C. Kecepatan angin disekitar panel dapat membantu mendinginkan permukaan temperatur kaca-kaca PV array. Keadaan atmosfir bumi – berawan, mendung, jenis partikel debu udara, asap, uap air udara, kabut, dan polusi sangat menentukan hasil maksimum arus listrik dari deretan PV.
Orientasi dari rangkaian PV kearah matahari secara optimum sangat penting agar panel PV dapat menghasilkan energy maksimum. Selain arah orientasi, sudut orientasi dari panel PV juga sangat mempengaruhi hasil energi maksimum. sudut orientasi matahari mempertahankan sinar matahari jatuh ke sebuah permukaan panel
PV secara tegak lurus akan mendapatkan energi maksimum. Kalau tidak dapat mempertahankan ketegak lurusan antara sinar matahari dengan bidang PV, maka ekstra luasan bidang panel PV dibutuhkan (bidang panel PV terhadap perubahan gerak matahari yang berubah). (Prasetyo, 2017)
2.4 BATERAI
Salah satu sumber tenaga listrik yang penting adalah baterai. Baterai dapat memberikan suatu tegangan konstan tidak bergantung kepada besarnya arus listrik yang dikeluarkannya. Baterai dalam praktik selalu mempunyai teraan arus maksimum dan resistansi dalam yang akan membatasi arus yang dikeluarkan.
Pengaruh resistansi dalam itu menyebabkan tegangan baterai turun sedikit pada saat berbeban.
Semua baterai mempunyai prinsip kerja yang sama yaitu reaksi kimia yang terjadi antara elektrolit, anode, dan katode. Reaksi itu menghasilkan ion negatif di kutub negatif dan ion positif di kutub positif. Pembentukan dan pengumpulan ion-ion positif dan negatif itulah yang menentukan tenaga suatu baterai. Proses kimia itu membentuk suatu sel tegangan dengan tegangan antara1 volt sampai lebih dari 3,5 volt, tergantung kepada bahan yang digunakan. Baterai besar merupakan gabungan beberapa sel dalam hubungan seri. Aki mobil 12 V misalnya, terdiri atas enam sel yang masing- masing tegangannya 2 V.
Pada waktu baterai digunakan, kemampuan bahan-bahan baterai itu menurun.
Bahan-bahan anode dan katode akan berkurang dan reaksi antara anode dengan elektrolit menghasilkan produk sampingan. Dengan meningkatnya produk sampingan itu tegangan baterai menurun sehingga menurun pula unjuk kerja baterai tersebut.
Sesuai dengan hukum elektrokimia, massa zat yang terlibat dalam proses elektrokimia itu sebanding dengan arus I yang dihasilkan dan waktu penggunaannya t, atau It. Oleh karena itu ukuran elektroda dan massa elektrolit menentukan nilai It tersebut dan merupakan kapasitas baterai itu dan umumnya dinyatakan dalam ampere-jam (AH - ampere-hour). Semakin besar ukuran fisik baterai, dengan proses kimia yang sama, semakin besar kapasitas listriknya meskipun dalam keadaan rangkaian terbuka memberikan tegangan yang sama. Karena reaksi kimia dalam
baterai, kapasitas baterai juga ditentukan oleh keadaan pengosongannya yaitu besarnya arus, tegangan baterai, suhu, dan faktor-faktor lainnya.
Kapasitas baterai yang ditulis pada kemasannya oleh pabrik umumnya merupakan hasil dari 20 jam dikalikan dengan arus konstan maksimum pada suhu 20°C. Baterai dengan kapsitas 60 AH akan memberikan arus maksimum 3 A selama 20 jam pada suhu 20°C. Tetapi jika baterai itu digunakan dengan 60 A, kapasitasnya akan kurang dari apa yang tertulis itu.
Terdapat dua jenis baterai, yang pertama adalah baterai primer dan yang kedua adalah baterai sekunder. Dikatakan sebagai baterai primer (primary cell) karena setelah tenaga kimia diubah menjadi tenaga listrik, bahan-bahan dalam baterai tidak dapat dikembalikan ke keadaannya yang semula. Baterai sekunder (secondary cell) adalah baterai yang dapat dikembalikan ke keadaannya yang semula setelah tenaga listriknya terpakai, dan disebut sekunder karena hanya dapat memberikan tenaga listrik setelah diisi.
2.4.1 Baterai Primer
Sumber arus listrik yang tertua adalah baterai galvani, baterai primer yang terdiri atas dua elektroda yang dicelupkan dalam elektrolit. Tenaga listrik diperoleh dari reaksi kimia yang terjadi dalam sel tersebut.
Baterai primer sederhana terdiri atas batang seng dan batang tembaga sebagai elektroda yang dicelupkan dalam elektrolit berupa larutan asam sulfat (H2SO4). Seng yang dicelupkan dalam larutan asam sulfat itu akan melepaskan ion-ion positif ke dalam larutan elektrolit sehingga menjadikan batang seng itu kelebihan elektron. Hal itu akan berlanjut sampai terjadi peningkatan beda potensial antara elektrolit dengan batang seng sehingga mencegah terjadinya pelepasan ion lebih lanjut. Kelebihan elektron pada batang itu menentukan potensialnya terhadap elektrolit dan batang seng menjadi negatif dan disebut sebagai katode. Tembaga, yang tidak akan larut dalam asam sulfat mempunyai potensial yang lebih tinggi terhadap elektrolit sehingga antara tembaga dan seng terdapat beda potensial. Dalam baterai seng-asam- tembaga itu mempunyai beda potensial (tegangan) sebesar 1,1 volt.
Bila baterai itu dihubungkan dalam suatu rangkaian tertutup, kelebihan elektron pada batang tembaga akan mengalir ke batang tembaga sehingga mengurangi selisih antara elektrolit dengan batang seng. Hal itu mengakibatkan
aliran ion lagi ke larutan dan lebih banyak elektron terbentuk di batang tersebut.
Dalam elektrolit ion positif itu bergabung dengan radikal asam sulfat (yang berupa ion negatif) dan membentuk seng sulfat (ZNSO4).
Di batang tembaga, ion hidrogen H2++ mengambil dua elektron untuk menetralisir dirinya dan menjadi molekul hidrogen. Hidrogen itu dilepaskan di katode sebagai gelembung-gelembung. Dalam melepaskan elektron itu batang tembaga menjadi bermuatan positif dan disebut sebagai anode.
Terminal-terminal yang dihubungkan ke kedua batang elektrode itu sebagai sambungan ke luar baterai disebut kutub positif untuk yang terhubung dengan tembaga dan kutub negatif untuk seng.
Baterai yang tetap populer sampai saat ini adalah baterai 'kering' temuan Georges Leclanché pada tahun 1866, baterai karbon-seng. Baterai itu pada awalnya terdiri atas kaleng seng sebagai katodenya dan batang karbon yang dikelilingi oleh serbuk campuran karbon dan mangan dioksida sebagai anodenya sedangkan elektrolitnya adalah pasta lembab campuran natrium khlorida dan seng khlorida.
Baterai kering itu jauh lebih aman ketimbang baterai 'basah' karena mudah untuk dibawa-bawa tanpa ada risiko tumpahnya larutan asam kuat yang dapat membahayakan lingkungannya.
Pasar pertama baterai buatan Leclanché adalah sebagai sumber arus searah untuk percobaan dan bel rumah. Alexander Graham Bell memilih baterai karbon itu untuk membuktikan telepon jarak jauhnya. Baterai buatan Leclanché beratnya sekitar satu kilogram dan agak terlalu besar untuk ditenteng. Conrad Hubert menyadari hal itu dan menciptakan baterai untuk lampu senter sekitar tahun 1898 dengan ukuran C (diameter 2,6 cm, tinggi 4,6 cm) dan D (diameter 3,4 cm, tinggi 6,1 cm) seperti yang kita kenal sekarang.
2.4.2 Baterai Sekunder
Arus listrik yang dihasilkan oleh baterai primer tidak akan sangat besar dan memerlukan penggantian dengan yang baru bila sudah habis. Hal itu tentu saja meningkatkan biaya. Baterai sekunder mempunyai kemampuan untuk diisi kembali karena adanya reaksi kimia yang sebaliknya. Dalam baterai tersebut tidak hanya terjadi perubahan tenaga kimia menjadi tenaga listrik saja, tetapi juga dimungkinkan untuk mengubah tenaga listrik menjadi kimia. Proses penyimpanan tenaga listrik
dikatakan sebagai pengisian dan penggunaannya dalam bentuk tenaga listrik adalah pengosongan.
Tahun 1802, Johann Ritter, fisikawan Jerman melakukan penelitian tentang listrik dan menemukan kemungkinan tentang baterai yang dapat diisi kembali. Pada tahun 1859, Raymond Gaston Planté, fisikawan Perancis menciptakan baterai sekunder yang dikenal sampai saat ini, aki. Tahun 1899, ilmuwan Swedia, Waldmar Jungner, menciptakan baterai nikel-kadmium (NiCd). Perkembangan baterai sekunder ini sangat lambat, dan baru pada tahun 1950an dimungkinkan untuk mengemas baterai nikel-kadmium itu dalam bentuk seperti yang telah banyak beredar sekarang yang mulai dipasarkan pada tahun 1960an. Akhir tahun 1980an mulai diperkenalkan baterai nikel hidrida logam (Nickel Metal Hydride NIMH).
Perkembangan baterai di tahun 1990an meningkat dengan meningkatnya kebutuhan untuk komputer jinjing, telepon seluler, kamera digital, dan peralatan digital yang lain. Awal tahun 1990an baterai sekunder seng-udara mulai digunakan untuk komputer, disusul dengan baterai alkalin dan litium. Tahun 1999 mulai dipasarkan baterai litium-ion polimer. Dua jenis yang umum digunakan saat ini:
basah dan kering. Baterai sekunder basah yang umum dijumpai adalah aki dan yang kering adalah NiCd, NIMH, dan Baterai litium. Baterai sekunder dirancang untuk dapat diisi kembali antara 200 sampai 1000 kali.
Sumber: Mismail, 2011 Gambar 2.6 Aki
Aki dalam keadaan terisi dan siap dipakai, elektroda positifnya (anode) adalah timbal peroksida (PbO2) dan elektroda negatifnya (katode) adalah timbal murni (Pb); sedangkan elektrolitnya adalah larutan asam sulfat (H2SO4). Anode dan katode itu dibuat dalam bentuk kisi timbal yang dilapisi dengan bahan aktif (PbO2 dan Pb). Keping positif terdiri atas beberapa kisi yang disusun sejajar guna
memperluas permukaannya. Keping katode dibuat dalam bentuk yang berbeda.
Keping- keping elektroda itu dihubungkan berselang-seling dalam suatu kelompok yang terpisah antara satu dengan yang lain. Proses elektrokimia terjadi dalam dua arah. Pada saat pengisian tenaga listrik diubah menjadi tenaga kimia yang diberikan oleh pernyataan
2PBSO4 +2H20→ PbO2 +2H2SO4 +Pb (2.1)
Pada saat pengisian arus yang diberikan tidak boleh melebihi yang telah ditetapkan oleh pabrik. Pada saat pengosongan, yaitu pada saat aki dipergunakan, reaksi kimia yang berlaku adalah
PbO2 + 2H2SO4 + Pb → 2PbSO4 +2H20 (2.2)
Aki yang banyak dipakai pada saat ini adalah jenis yang disegel (sealed lead acid battery). Aki jenis ini pada dasarnya mempunyai konstruksi yang sama dengan yang tidak disegel hanya elektrolitnya yang berbeda karena dalam bentuk gel. Tidak seperti aki sebelumnya yang memerlukan pengisian air murni secara berkala, aki jenis ini tidak memerlukan perawatan (Mismail, 2011).
2.5 PWM (PULSE WIDTH MODULATION)
Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa Contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan. Aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya berupa, pengendalian kecepatan motor DC, Pengendalian Motor Servo, Pengaturan nyala terang LED. Pembangkitan sinyal PWM yang paling sederhana adalah dengan cara membandingkan sinyal gigi gergaji sebagai tegangan carrier dengan tegangan referensi menggunakan rangkaian op-amp comparator.
Sumber: Prayogo, 2012
Gambar 2.7 Rangkaian PWM Analog
Cara kerja dari komparator analog ini adalah membandingkan gelombang tegangan gigi gergaji dengan tegangan referensi seperti yang terlihat pada Gambar dibawah
Sumber: Prayogo, 2012
Gambar 2.8 Pembentukan Sinyal PWM
Saat nilai tegangan referensi lebih besar dari tegangan carrier (gigi gergaji) maka output comparator akan bernilai high. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan carrier, maka output comparator akan bernilai low. Dengan memanfaatkan prinsip kerja dari komparator inilah, untuk mengubah duty cycle dari sinyal output cukup dengan mengubah-ubah besar tegangan referensi. Besarnya duty-cycle rangkaian PWM ini
𝑐 (2.3) Pada metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Misalkan PWM digital 8 bit berarti PWM tersebut memiliki resolusi 28= 256, maksudnya nilai keluaran PWM ini memiliki 256 variasi, variasinya mulai dari 0 – 255 yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut.
Keuntungan utama dari PWM adalah bahwa daya yang hilang dalam perangkat switching sangat rendah. PWM juga bekerja dengan baik pada kontrol digital. PWM juga telah digunakan dalam beberapa sistem komunikasi dimana siklus tugasnya telah digunakan untuk menyampaikan informasi melalui saluran komunikasi.
Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar Pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, Sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0%
hingga 100%)
Pulse Width Modulation (PWM) merupakan salah satu teknik untuk mendapatkan signal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya Sinyal PWM
dapat dibangkitkan dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog dengan menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital.
Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 28 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut. (Prayogo, 2012)
Sumber: Prayogo, 2012
Gambar 2.9 Duty Cycle dan Resolusi PWM
2.6 DC TO DC CONVERTER
Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin.
Seperti halnya konverter buck, konverter boost memiliki rangkaian yang terdiri dari induktansi, kapasitor, diode frewheel, dan komponen switching seperti Thyristor, MOSFET, IGBT, dan GTO. Proses switching pada konverter ini juga disulut oleh PWM sebagai pengaturan duty cycle yang sangat berpengaruh pada besar kecilnya tegangan output dari konverter boost (Prasetyo, 2017).
2.7 MAXIMUM POWER POINT TRACKING (MPPT)
Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah sebuah metode yang digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan dan arus yang optimal sehingga didapat daya keluaran yang maksimal dari suatu panel surya. Daya keluaran yang
maksimal ini akan menghasilkan rasio daya yang tinggi dan mengurangi rugi-rugi suatu panel surya. Adapun prinsip kerja dari MPPT adalah menaikkan tegangan dan menurunkan tegangan kerja panel surya.
Apabila dalam suatu sistem panel surya, tegangan kerja panel surya jatuh pada daerah disebelah kiri Vmp (tegangan kerja lebih kecil dari pada tegangan Vmp), maka tegangan kerja panel surya akan dinaikkan sampai mencapai Vmp, begitu juga sebaliknya apabila tegangan kerja panel surya lebih besar dari pada Vmp, maka tegangan kerja panel surya akan diturunkan sampai mencapai Vmp. Setelah mencapai tegangan maximum point (Pmax), secara otomatis daya keluaran pada panel surya juga akan menjadi maksimal.
MPPT ini berbeda dengan sistem pengontrol-pengontrol sebelumnya. MPPT selain memperhatikan karakteristik baterai juga memperhatikan karakteristik panel surya. MPPT ini mengoptimalkan transfer daya antara panel surya dan aki. Selain itu juga dengan MPPT ini, transfer daya ke aki dapat dilakukan meskipun tegangan pada panel surya lebih rendah dari pada tegangan di aki yaitu dengan menggunakan Boost Converter (Prasetyo, 2017).
2.8 SENSOR TEGANGAN
Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi dan sering berfungsi untuk mengukur magnitude sesuatu. Sensor adalah jenis transduser yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Sensor biasanya dikategorikan melalui pengukur dan memegang peranan penting dalam pengendalian proses pabrikasi modern. Sensor memberikan ekivalen mata, pendengaran, hidung dan lidah untuk menjadi otak mikroprosesor dari sistem otomatisasi industri (Petruzella, 2001).
Untuk melakukan aksi pada saat terjadi gangguan susut tegangan, tegangan lebih, dan blankout tegangan maka diperlukan komponen pengindera level tegangan (sensor tegangan). Metode pembuatan sensor tegangan yang paling umum dan mudah adalah metode resistor pembagi. Sensor tegangan ini dirancang untuk pengukuran tegangan pada output panel surya dan output dc-dc konverter. (Prasetyo, 2017).
2. 9 SENSOR ARUS ACS712
Penginderaan arus menggunakan teknologi Hall Effect telah berkambang dan banyak digunakan dari pada penginderaan sensor arus menggunakan metode resistor shunt. Pada teknologi Hall Effect yang dikembangkan oleh Allegro, aliran arus listrik akan menimbulkan medan magnet pada bagian dynamic offset cancellation dari ACS712. ACS712 dapat digunakan pada penginderaan arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC) (Prasetyo, 2017).
2.10 CHARGER
Charger adalah suatu rangkaian listrik yang berfungsi untuk mentransfer energi listrik dari sumber AC (Alternatif Current) maupun DC (Dirrect Current) kedalam battery agar kapasitas battery kembali penuh dan dapat digunakan kembali.
Battery diisi dengan kapasitas arus yang sesuai dengan kebutuhan battery hingga tegangan battery penuh.
Pada pengisian battery secara otomatis, ketika level tegangan yang ditentukan itu telah tercapai, maka arus pengisian akan turun secara otomatis ke level yang aman tepatnya yang telah ditentukan dan menahan arus pengisian hingga menjadi lebih lambat sehingga indicator menyala menandakan baterai telah terisi penuh.
Pengisian battery secara otomatis dapat memberikan efek awet pada battery. Metode pengisian baterai kering diklasifikasi berdasarkan oleh aplikasi dari baterai.
klasifikasi aplikasi baterai dibagi menjadi 2 yaitu Baterai sebagai Catu daya utama dan baterai sebagai daya cadangan.
Metode pengisian Baterai kering sebagai catu daya yang termasuk standard Charging terbagi menjadi 2 yaitu Metode pengisian Constant Voltage dan Metode Pengisian Constant current and Constant Voltage.
Ketika baterai mengalami overcharged, air didalam elektrolit terurai oleh elektrolisis untuk menghasilkan gas oksigen yang banyak daripada apa yang bisa diserap oleh elektroda negatif. Elektrolit diubah menjadi gas oksigen dan gas hydrogen dan hilang dari sistem baterai. oleh karena itu, kontrol tegangan yang pasti dan waktu pengisian yang tepat dalam metode pengisian constant Voltage sangat penting untuk menjaga life time yang diharapkan dari baterai (Prasetyo, 2017).
BAB 3
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM
3.1 METODOLOGI PERANCANGAN 3.1.1 Tahap Persiapan
Dalam pembuatan Rancang Bangun Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai Dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya Berbasis Atmega 328 ini membutuhkan beberapa perangkat hardware, software dan alat alat pendukung, antara lain :
a. Hardware 1). Panel Surya
Secara umum, panel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai.
2). Boost Converter
Menggunakan DC to DC Converter Xl6009 untuk menaikkan tegangan output dari solar cell hingga tegangan yang sesuai dengan kebutuhan baterai.
3). Sistem minimum ATMega 328
Sistem minimum ATMega 328 ini digunakan untuk mengontrol kerja rangkaian
4). Sensor Tegangan
Sensor tegangan pada sistem ini digunakan untuk mengukur tegangan output yang dihasilkan oleh solar panel dan juga tegangan output yang dihasilkan oleh boost converter.
5). Sensor Arus Acs712
Sensor arus ini berfungsi untuk mendeteksi arus pengisisan keluaran dari solar cell dan boost converter, untuk diumpan ke dalam mikrokontroler guna mendapatkan daya maksimum pada solar cell.
6). Accumulator / Aki
Accumulator / Aki digunakan sebagai penyimpanan energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya.
7). PWM (Pulse Width Modulation)
Menggunakan IC Ca3130 sebagai komparator analog.
8. Voltage Regulator
Menggunakan IC 7812 sebagai penstabil tegangan 12V.
9. Rangkaian Charger
Menggunakan IC XL4015 untuk menghasilkan tegangan pengecasan terhadap baterai. IC XL4015 bekerja menjaga tegangan konstan untuk dapat mengisi baterai sampai penuh.
10. Rangkaian Filter
Menggunakan resistor, kapasitor dan induktor sebagai filter.
b. Software 1) Eagle
Eagle sebagai aplikasi yang digunakan untuk menggambar rangkaian elektronik.
c. Alat pendukung 1) Solder
Solder adalah alat pendukung yang digunakan untuk memanaskan, timah patri yang digunakan untuk menyambung komponen-komponen elektronik.
2) Multimeter
Multimeter adalah alat untuk mengukur Ampere, Voltage dan OHM (resistansi). Alat ini dilengkapi dengan dua kabel penyidik yang berwarna masing- masing merah dan hitam. Untuk dapat bekerja, multimeter memerlukan sumber listrik berupa battery.
3) Obeng
Terdiri dari obeng min dan plus, yang digunakan untuk merapatkan mur sebagai pengunci antar komponen dan casis.
4) Tang
Tang adalah Alat yang digunakan sebagai penjepit.
5) Gergaji
Gergaji adalah alat yang digunakan sebagai pemotong.
6) Bor
Bor adalah alat yang digunakan untuk membuat lubang baik pada PCB maupun pada rangka/casis.
3.1.2 Tahap Pembuatan Sistem 3.1.2.1 Hardware
1). Panel Surya
Secara umum, panel surya mengubah intensitas sinar matahari menjadi energi listrik. Panel surya menghasilkan arus yang digunakan untuk mengisi baterai. Panel surya terdiri dari photovoltaic yang menghasilkan listrik dari intensitas cahaya.
Gambar 3.1 Rangkaian Panel Surya 2). Boost Converter
Rangkaian boost converter ini digunakan untuk menaikkan tegangan output dari solar cell hingga tegangan yang sesuai dengan kebutuhan batterai. Dalam rangkaian boost converter ini terdapat beberapa komponen yaitu induktor, kapasitor, dioda, resistor dan MOSFET sebagai switch.
Gambar 3.2 Rangkaian Boost Converter
3). Sistem minimum ATMega 328
Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328. Rangkaian tersebut berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem yang ada. Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai
output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang ke adaptor DC atau baterai untuk menjalankannya.
Gambar 3.3 Rangkaian Arduino Uno
4). Skema Rangkaian Charger
Rangkaian ini berfungsi untuk menghasilkan tegangan pengecasan terhadap baterai. IC XL4015 bekerja menjaga tegangan konstan untuk dapat mengisi baterai sampai penuh.
Gambar 3.4 Skema Rangkaian Charger
Rangkaian ini bekerja secara otomatis, artinya ketika accu memerlukan pengisian maka rangkaian ini akan mencharge accu dan ketika accu dalam keadaan normal maka rangkaian akan mendischarge accu.
5). Sensor Tegangan
Sensor tegangan pada sistem ini digunakan untuk mengukur tegangan output yang dihasilkan oleh solar panel dan juga tegangan output yang dihasilkan oleh boost
converter. Rangkaian dari sensor tegangan ini merupakan rangkaian pembagi tegangan yang terdiri dari dua buah resistor yang tersusun secara seri, dengan tegangan DC masukan adalah besarnya tegangan sebenarnya yang akan diukur dan tegangan DC keluaran pada R2 merupakan tegangan output dari rangkaian pembagi tegangan.
Gambar 3.5 Rangkaian Sensor Tegangan
6.) Sensor Arus Acs712
ACS712 dapat digunakan pada penginderaan arus searah (DC) dan arus bolak-balik (AC). ACS712 dapat mengukur arus AC maupun DC. Sensitivitas dari sensor arus ACS adalah 0,1 V untuk setiap kenaikan arus 1 A. Dalam keadaan tanpa ada arus yang mengalir, sensor arus ACS mengeluarkan tegangan 0 V. Sensor arus ini berfungsi untuk mendeteksi arus pengisisan keluaran dari solar cell dan boost converter, untuk diumpan ke dalam mikrokontroler guna mendapatkan daya maksimum pada solar cell.
Gambar 3.6 Rangkaian Sensor Arus Acs712 7.) PWM (Pulse Width Modulation)
PWM atau Pulse Width Modulation adalah salah satu teknik pemodulasian sinyal dimana besar duty cycle pulsa dapat diubah ubah. PWM biasa digunakan untuk aplikasi-aplikasi analog yang menggunakan kontrol digital atau mikrokontroler, hal ini dikarenakan mikrokontroler tidak mampu menghasilkan
tegangan analog secara langsung. Terdapat beberapa teknik untuk membangkitkan sinyal PWM, namun secara garis besar terbagi dalam 2 cara, yaitu pembangkitan sinyal dengan rangkaian analog dan dengan kontrol digital atau dengan mikrokontroler. Secara analog, pembangkitan sinyal PWM yang paling sederhana adalah dengan cara membandingkan sebuah sinyal segitiga atau gigi gergaji dengan tegangan referensi.
Cara kerja dari komparator analog ini adalah membandingkan gelombang tegangan gigi gergaji dengan tegangan referensi saat nilai tegangan referensi lebih besar dari tegangan ramp (gigi gergaji) maka keluaran komparator akan bernilai high atau saturasi mendekati Vcc. Namun saat tegangan referensi bernilai lebih kecil dari tegangan ramp, maka keluaran komparator akan bernilai low atau cut-off. Dengan memanfaatkan prinsip kerja dari komparator inilah, untuk mengubah duty cycle dari sinyal keluaran cukup dengan mengubah-ubah besar tegangan referensi.
Gambar 3.7 PWM (Pulse Width Modulation) 8.) Rangkaian LCD
Penampil data yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LCD 16x2. LCD 16x2 memiliki 2 baris yang mampu memuat 16 karakter. Rangkaian dari LCD ini dihubungkan ke pin digital Arduino dan dapat diatur kecerahannya dengan mengunakan potensiometer.
Gambar 3.8 Rangkaian LCD 16 x 2
3.1.2.2 Pembuatan PCB Dengan Aplikasi EAGLE 1. Klik software eagle lalu pilih file-new-schematic
Gambar 3.9 Memulai Eagle 2. Klik menu edit-ADD- pilih komponen
Gambar 3.10 Menu ADD pada Eagle 3. Hubungkan semua komponen dengan net/ conector.
Gambar 3.11 Skematik PCB
4. Klik icon skematik ke board
5. Susun komponen komponen menjadi rapi dengan menggunakan icon move 6. Klik menu edit pilih design rules
7. Pilih size dan ubah minimum widthnya
Gambar 3.12 Menu Size Pada Eagle
8. Pilih Clearance dan ubah minimum Widht dan minimum Drill lalu ok.
Gambar 3.13 Menu Clearance Pada Eagle 9. Lalu klik route untuk menggambar jalur secara manual.
10. Jika ada jalur yang tidak sesuai kita bisa menghapus jalur dan membuat jalur dengan mengklik ripup, lalu gambar jalurnya.
11. Klik icon via lalu pilih diameternya sesuai keinginan.
12. Masukkan bulatan tersebut ke dalam rangkaian, maka bulatannya sudah tebal.
Gambar 3.14 Board PCB Pada Eagle
3.1.2.3 Mencetak PCB
Pola dan gambar jalur yang telah dibuat melalui EAGLE kemudian dicetak ke dalam board melalaui tahapan sebagai berikut :
1. Mencetak gambar layout PCB yang telah dibuat pada kertas kemudian di fotocopy pada plastik tembus pandang (transparansi).
2. Proses selanjutnya adalah proses penyablonan secara langsung di atas lembaran PCB dengan menggunakan sekrin. Sekrin yang digunakan harus sudah membentuk gambar layout PCB pada permukaan sekrin tersebut.
Penyablonan juga bisa menggunakan Setrika yaitu dengan menempelkan plastik yang telah di gambar layout PCB kemudian dipanaskan dengan menggunakan setrika sampai lapisan gambar menempel pada lembaran PCB.
3. Memasukkan PCB yang telah tersablon / digambari kedalam air hangat yang telah dilarutkan dengan bubuk Ferri Clorite. Wadah yang digunakan untuk melarutkan Flerri Clorite menggunakan bahan plastik (selain logam).
4. Rendam PCB kedalam larutan ferri clorite selama 5 – 10 menit dengan perbandingan 10 gram bubuk ferri chlorite untuk 100 cc air panas. Goyang- goyang wadah atau tempat perendam PCB agar seluruh lapisan tembaga yang tidak tertutup polar jalur PCB dari sablon dapat terkikis habis lebih cepat.
5. PCB dibersihkan dengan menggunakan tissue / kapas untuk menghilangkan sisa-sisa larutan ferri chlorite dari papan PCB. Untuk menghilankan bekas jalur sablon menggunakan tiner / bensin.
6. Proses pelubangan PCb dengan menggunakan bor PCB dengan diameter bor 0,8 mm atau 1,0 mm.
Gambar 3.15 PCB yang Telah Dibor
3.1.3 Tahap Pengukuran, Analisis dan Kesimpulan
Pada saat melakukan tahap pengukuran ada beberapa langkah yang harus diperhatikan, yaitu :
1. Mengukur tegangan yang dihasilkan oleh panel surya 2. Mengukur arus yang dihasilkan oleh panel surya 3. Mengukur tegangan yang dihasilkan oleh Baterai 4. Mengukur arus yang dihasilkan oleh Baterai
Pada saat melakukan proses analisa ada beberapa langkah yang harus diperhatikan, yaitu :
1. Menentukan spesifikasi perangkat keras alat/sistem 2. Menentukan diagram blok system
3. Menentukan rangkaian yang digunakan 4. Tahap-tahap perancangan perangkat keras
Tahap kesimpulan yang dilakukan yaitu : 1. Menentukan apakah sistem sudah bekerja atau tidak
2. Menentukan besarnya tegangan yang dihasilkan oleh panel surya.
3.2 PERANCANGAN SISTEM 3.2.1 Diagram Blok Sistem
Pembuatan perangkat keras pada sistem ini akan diintegerasikan pada perangkat lunak yang menggunakan mikrokontroler Atmega 328. Dimana nantinya bisa disebut sistem untuk mencapai tujuan yang sama yaitu mengoptimalkan daya maksimum dari solar cell. Solar Cell sebagai alat untuk mengkonversi cahaya matahari ke dalam bentuk energi listrik yang akan disimpan dalam accumulator.
Boost converter yang berfungsi menaikkan tegangan guna mendapatkan tegangan konstan dari converter dilakukan pengaturan duty cycle dengan cara memberikan umpan balik dari tegangan keluaran boost converter itu sendiri sebagai charging baterai.
Tegangan dan arus keluaran dari solar cell akan dibaca oleh sensor tegangan dan sensor arus sebagai bahan referensi untuk mendapatkan daya maksimum. Daya maksimum ini diperoleh dari metode Maximum Power Point Tracking (MPPT).
Tegangan dan arus dari solar cell akan ditampilkan melalui LCD.
Gambar 3.16 Diagram Blok Sistem
3.2.2 Perancangan Rangkaian
Setelah selesai melakukan pembuatan alat-alat, langkah selanjutnya adalah perakitan. Tahap tahap perakitan dimulai dengan urutan sebagai berikut :
1. Memasang rangka
Pemasangan rangka yaitu memasang rangka yang telah dirancang dan dipotong sesuai dengan bentuk yang diinginkan.
2. Menggabungkan Alat-alat elektronik dengan rangka
Alat-alat elektronik antara lain Mini sistem ATMEGA 328, LCD, sensor arus, sensor tegangan, rangkaian boost converter, rangkaian charger, Aki, panel surya dan rangkaian lainnya dirangkai sesuai dengan perancangan yang telah dibuat, dengan menggabungkan pin-pin yang ada pada setiap bagian elektronik dengan menggunakan kabel agar konfigurasi antar bagian elektronik dapat berinteraksi dengan baik.
3. Pemrograman
Pemrograman dilakukan setelah alat-alat elektronika, mekanik, dan casis / rangka terpasang dengan benar. Pemrograman dilakukan dengan menggunakan bahasa c++ dengan software arduino IDE.
ADC PANEL
SURYA
DC/DC CONVERTER
PWM BATERAI
MIKROKONTROLER
TOMBOL LCD
4. finishing
Setelah semuanya terpasang dengan baik maka tahap selanjutnya adalah tahap finishing dengan merapikan kabel-kabel dan merapikan bodi agar kelihatan indah.
5. Uji Coba
Setelah terpasang menjadi sebuah Sistem Pengendalian Pengecasan Baterai dan Lampu Penerangan Otomatis Bertenaga Surya dengan baik maka dilakukan ujicoba. Ujicoba dilakukan dengan melakukan tes mengunakan jam selama 1 hari dan mencatat perbedaan presisi waktu dengan waktu yang sebenarnya.
Gambar 3.17 Perancangan Alat 3.2.3 Perancangan Perangkat Lunak Sistem
Piranti pengolah data dan kontrol yang berupa mikrokontroler Atmega 328 diprogram dengan bahasa C++ yang kemudian akan ditampilkan melalui LCD berdasarkan program yang telah dibuat. Berikut ini adalah program yang digunakan:
#include <LiquidCrystal.h>
const int rs = 8, en = 9, d4 = 4, d5 = 5, d6 = 6, d7 = 7;
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7);
int Vin;
int ledPin = 13;
int sensorV = A0;
int sensorI = A1;
int Iout;
char buffer[17];
void setup() {
// set up the LCD's number of columns and rows:
lcd.begin(16, 2);
// Print a message to the LCD.
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Ruth MPPT Chargr");
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(ledPin, HIGH);
Vin = analogRead(sensorV);
delay(100);
digitalWrite(ledPin, LOW);
Iout = (512 - analogRead(sensorI)) * 3;
if (Iout < 0) Iout = 0;
delay(100);
lcd.setCursor(0, 1);
sprintf(buffer,"V:%2d.%1d I:%4d mA",Vin/10,Vin%10,Iout);
lcd.print(buffer);
}
