SKRIPSI
RIZAL FERNANDO SINAGA 160801009
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2020
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas akhir sebagai syarat mendapatkan gelar Sarjana Sains
RIZAL FERNANDO SINAGA 160801009
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2020
RANCANG BANGUN DC 12 V TO DC 380 V KONVERTER 1000 WATT DENGAN ATMEGA 328 SEBAGAI OSILATOR 65 KHZ
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri, kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, 08 September 2020
Rizal Fernando Sinaga
160801009
Nya lah penulis dapat menikmati pendidikan di Departemen Fisika dan juga dapat menyelesaikan penulisan skripsi ini. Penulis juga mengucap syukur akan kebaikan Tuhan yang tetap menuntun, mengingatkan, dan memberikan pengharapan di tengah- tengah pergumulan akan penyelesaian skripsi ini, walaupun seringkali pergumulan tersebut disebabkan ketidaktaatan. Penulis bersyukur untuk setiap kegagalan yang boleh dinikmati, karena semua adalah proses belajar untuk memberikan yang terbaik.
Penulis juga bersyukur untuk setiap orang yang Tuhan libatkan dalam pengerjaan skripsi ini, yang dari mereka penulis dapat belajar banyak hal; belajar ketekunan, belajar ketulusan, belajar rendah hati dan belajar menguatkan satu dengan yang lain, untuk itu penulis juga tidak lupa untuk mengucapkan terima kasih kepada
mereka.
Pertama-tama saya mengucapkan terima kasih kepada-mu orang tua saya yang telah mendukung dan memberikan dana (materil) selama saya kuliah. Terima kasih juga atas kesabaran dalam mendidik saya tanpa lelah. Tiada kata seindah doa yang berharap agar kedua orang tua saya Tuhan berikan umur yang panjang, sehingga saya dapat membalaskan – mungkin hanya sedikit – atas apa yang telah mereka berikan sebagai wujud kasihnya kepada saya. Terimakasih juga untuk segenap kelurga yang mendukung (kakak, adik, dan keluarga besar).
Ucapan terima kasih saya juga kepada Bapak Drs.Kurnia Brahmana M.Si, selaku dosen Pembimbing Skripsi saya yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan dan memberikan kepercayaan kepada penulis dalam melaksanakan penelitian hingga penyelesaian skripsi ini.
Saya juga berterima kasih kepada seluruh Dosen Fisika yang telah berbagi ilmu kepada saya pribadi dari awal hingga akhir perkulihan, terkhusus kepada Bapak Prof.Marhaposan Situmorang dan Bapak Drs. Junedi Ginting M.Si, selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan dan saran kepada penulis dalam menyelesaikan penelitian hingga penyelesaian penulisan skripsi ini.
Kepada Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS selaku Ketua Departemen dan Drs.
Awan Magfirah, M.Sc selaku Sekretaris Departemen Fisika FMIPA USU. Saya juga
mengucapkan terima kasih kepada staff Departemen Fisika, Kak Tini.
membiayai saya selama kuliah melalui BIDIKMISI. Saya juga merasa berhutang kepada bangsa dan negara ini, semoga suatu saat saya dapat berguna bagi bangsa dan negara ini.
Terima kasih juga kepada semua teman-teman yang telah mendukung saya selama “bertahan hidup dan bergelut dengan iman dan ilmu” di Medan. Kepada komponen pelayanan PD/PA Filipi yang menjadi perpanjangan tangan Tuhan untuk melayani saya. Terima kasih juga kepada KK Nathan (bg Arizona, kak Marni dan Uci) yang memberikan “warna” di dalam segudang pengalaman yang tidak akan mungkin lenyap oleh waktu. Terima kasih juga kepada Alvian (Justan, Lamtota dan Ridwan) dan Damarisa (Ririn dan Riris) yang mengingatkan, menguatkan dan menuntut teladan serta memberikan “warna” yang semakin indah di dalam sebuah perjalanan. Terima kasih juga kepada Dearni atas doa dan dukungan yang telah menjadi “bunga-bunga” yang menambah keindahan dalam perjalanan. Tak lupa juga kepada Kak Yessi Sipayung, Kak Sriyuni, Levina Silalahi, Titin Panjaitan, Inggrid Gurning, Irawanita Manik, Noviana Simbolon, Rinna Ompusunggu, Dicky Sinaga dan masih banyak yang tak dapat disebutkan satu per satu.
Terima kasih pula bagi teman-teman di Fisika, terkhusus kepada stambuk 2016, dan paling spesial kepada teman-teman seperjuangan KUY (Desse Mawarni Simatupang, Irvan Franciscus Tambunan, Jose Antoni Sinaga, Julprianto Panjaitan, Monika Panjaitan) dan Esdayanti Panjaitan dan juga Syukur Hulu. Senang bisa bertemu dengan kalian.
Masih banyak pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu per satu yang telah membantu saya selama penyelesaian skripsi ini. Tetapi saya mengucapkan terima kasih dan juga mohon maaf atas seluruh kekurangan saya.
Medan, 08 September 2020 Penulis
Rizal Fernando Sinaga
ABSTRAK
Terisolasi penaikan tegangan DC-DC converter dibahas dalam makalah ini. Tujuan utama dari makalah ini adalah untuk meningkatkan tegangan rendah ke tegangan yang sangat tinggi. Makalah ini terutama memulai untuk mendorong sebuah 12V DC ke 380V DC. Manfaat konverter dibahas dari input arus kontinu. Biasanya, penaik tegangan DC-DC converter yang cocok untuk input yang tingkat tegangan sangat rendah. Desain circuital terdiri dari empat tahap. Pertama, jaringan impedansi yang digunakan untuk meningkatkan tegangan input rendah. Kedua jaringan switching yang digunakan untuk meningkatkan tegangan input maka transformator isolasi yang digunakan untuk menyediakan kemampuan meningkatkan lebih tinggi dan akhirnya pengali penyearah tegangan yang digunakan untuk memperbaiki tegangan sekunder dari transformator. Tidak ada waktu switching mati diperlukan, yang meningkatkan keandalan konverter. Membandingkan dengan topologi step-up yang ada menunjukkan bahwa desain baru ini adalah hibrida, portabel, kepadatan daya yang lebih tinggi dan ukuran keseluruhan sistem juga berkurang. Prinsip-prinsip serta operasi dianalisis dan eksperimental bekerja, yang menyediakan efisiensi yang lebih tinggi.
Kata kunci: Isolasi Transformator, Mikrokontroler, DC-DC Converter Meningkatkan
ATMEGA 328 AS 65 KHZ OSCILLATOR
ABSTRACT
An isolated switched high step up boost DC-DC converter is discussed in this paper.
The main objective of this paper is to step up low voltage to very high voltage. This paper mainly initiates at boosting a 12 V DC into 380 V DC. The discussed converter benefits from the continuous input current. Usually, step-up DC-DC converters are suitable for input whose voltage level is very low. The circuital design comprises of four main stages. Firstly, an impedance network which is used to boost the low input voltage. Secondly a switching network which is used to boost the input voltage then an isolation transformer which is used to provide higher boosting ability and finally a voltage multiplier rectifier which is used to rectify the secondary voltage of the transformer. No switching dead- time is required, which increases the reliability of the converter. Comparing with the existing step-up topologies indicates that this new design is hybrid, portable, higher power density and the size of the whole system is also reduced. The principles as well as operations were analysed and experimentally worked out, which provides a higher efficiency.
Keyword: Isolation Transformator, MicroController, DC-DC Boost Converter
Halaman
PERSETUJUAN ... i
PERNYATAAN ... ii
PENGHARGAAN ... iii
ABSTRAK ... iv
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR TABEL...x
DAFTAR GAMBAR ... xi
DAFTAR LAMPIRAN ... xii
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 2
1.3 Batasan Masalah ... 2
1.4 Tujuan Penelitian ... 2
1.5 Manfaat Penelitian ... 2
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 DC-DC Converter ... 5
2.1.1 Konverter Buck ...
62.1.2 The Push-Pull Konverter ...
62.1.3 Konverter Buck-Boost ...
72.1.6 Konverter Forward ...
82.1.7 Boost Converter ...
92.2 Transistor pengaruh medan (Field-Effect Transistor) ... 11
2.3 Pengenalan Mikrokontroller ... 12
2.3.2 Pengaturan PWM dan Duty Cycle oleh Microcontroler ...
142.4 Bahasa Pemograman C ... 15
2.5 Baterai ... 16
2.6 Transformator ... 17
2.7 Sensor Arus ACS712 ... 17
2.8 MOSFET ... 19
2.9 Dioda ... 20
DAFTAR ISI
2.11 Efisiensi Daya ... 21
2.12 Tegangan DC ... 21
2.13 Tegangan 380 V DC ... 23
2.13.1 Driver Mosfet IR 2113 ...
25BAB 3 PERANCANGAN SISTEM ... 29
3.1 Diagram Blok ... 29
3.1.1 Penjelasan fungsi tiap diagram blok ... 30
3.2 Perancangan Rangkaian ... 30
3.3 Arduino Uno ... 31
3.4 Rangkaian LCD ... 33
3.5 Rangkaian Sensor Arus ... 33
3.6 Rankaian Sensor Tegangan ... 34
3.7 Rangkaian Gate Driver... 34
3.8 Skema Rangkaian Lengkap ... 35
3.9 Flow Chart ... 38
BAB 4 PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM ... 39
4.1 Pengujian Sensor Arus ... 39
4.2 Pengujian Sensor Tegangan ... 44
4.3 Pengujian Gate LCD ... 48
4.5 Pengujian Keseluruhan ... 50
4.5.1 Pengujian Beban Terhadap Tegangan ... 50
4.5.2 Pengujian Efisiensi DC to DC converter ... 52
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 59
5.1 Kesimpulan ... 59
5.2 Saran ... 59
ix
Nomor Tabel
Judul Halaman
2.1 Timer pada Mikrokontroller Atmega 328 14
2.2 Perbandingan Parameter Jaringan Listrik DC sebagai Input
untuk Standarisasi 24
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12
Data hasil pengujian sensor arus sebelum kalibrasi Data hasil pengujian sensor arus setelah kalibrasi Data hasil pengujian sensor tegangan sebelum kalibrasi Data hasil pengujian sensor tegangan setelah kalibrasi Pengaruh beban terhadap tegangan
Data pengujian efisiensi dengan beban 40 Watt Data pengujian efisiensi dengan beban 75 Watt Data pengujian efisiensi dengan beban 100 Watt Data pengujian efisiensi dengan beban 150 Watt Data pengujian efisiensi dengan beban 200 Watt Data pengujian efisiensi dengan beban 240 Watt Nilai Efisiensi DC to DC Converter
40
41
44
44
51
54
55
56
57
58
59
Nomor Gambar
Judul Halaman
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
Rangkaian Konverter DC-DC Tipe Buck Rangkaian Push-Pull Konverter
Konverter Topologi Buck Boost
Rangkaian Konverter DC-DC tipe Boost Rangkaian Penguat FET Dasar
Pin Mikrokontroller Atmega 328 Baterai
Trafo Step Up dan Trafo Step Down Sensor Arus ACS 712
MOSFET
Susunan dan Simbol Dioda Sensor Tegangan
Segitiga Daya
Arsitektur Distribusi Daya 380 V DC Cara kerja Optocopler
Diagram Blok Skema Rangkaian Rangkaian Arduino Rangkaian LCD
Rangkaian Sensor Arus Rangkaian Sensor Tegangan Rangkaian Gate Drive
6
7
8
9
12
14
16
17
18
19
20
20
22
24
27
29
30
32
33
33
34
34
Singkatan Kepanjangan DC
AC PWM
SI MPP
PV MOSFET
FET ADC RAM IC CMOS
ANSI TWI SCL SDA SCR LED CTR UPS ETSI
IEEE CISC EEPROM
ALU I2C TWI GGL BJT RISC
Direct Current Alternating Current Pulse Width Modulaton
Satuan Internasional Maximum Power Point
Photovoltaic
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Field Effect Transistor
Analog to Digital Converter Random Access Memory
Integrated Circuit Comlementery Metal-Oxide
Semiconductor
American National Standards Institude Two Wire Interface
Serial Clock Line Stereo Dimensional Array Silicon Control Rectifier
Light Emitting Diode Cathode Ray Tube Uninterruption Power Supply European Telecommunications Standart
Institude
Institude of Electrical and Electronics Completed Instruction Set Computer Electrically Erasable Programmable Read
Only Memory Arithmatic Logic unit Inter-Integrated Circuit
Two Wire Interface
Gaya Gerak Listrik
Bipolar Junction Transistor
Reduce Instruction Set Computer
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Daya dengan nilai tegangan 380V DC adalah daya yang efisien jika dibanding dengan daya listrik bertegangan 220V AC. Jaringan kelistrikan 220V AC mulai ditinggalkan untuk keperluan jaringan listrik pengelolaan pusat jaringan data, selain dari pada itu jaringan listrik DC 380 V dapat dengan mudah digabung dari berbagai sumber energi yang berbeda, baik dari pembangkit listrik tenaga angin, air, matahari dan tenaga bahan bakar minyak. Selain itu beberapa sumber energi terbarukan tersebut tersedia sangat melimpah dan bebas dari polusi. (Lukman, 2016)
Penerapan DC–DC converter dalam perkembangannya telah memungkinkan suatu perangkat elektronika dapat berfungsi dengan menggunakan sumber energi baterai yang bertegangan kecil di mana tegangan keluarannya dapat diubah-ubah sesuai kebutuhan pemakaian. Teknologi konverter elektronika telah banyak digunakan pada kehidupan sehari-hari, contoh pengaplikasiannya, DC-DC converter ini digunakan pada sumber energi terbarukan sebagai penghasil energi seperti pada tenaga angin dan tenaga surya. Dalam aplikasi sumber energi terbarukan, energi angin dan energi surya menghasilkan tegangan keluaran yang rendah dan tidak stabil.
Tegangan yang dihasilkan disimpan pada baterai dan dibutuhkan alat untuk menaikkan tegangannya. Konversi energi surya dan energi angin menjadi listrik dan penggabungan beberapa jenis energi terbarukan mapun yang tidak dapat diperbaharui menggunakan pengendali untuk mengoptimalkan pemanfaatan sumber energi dan menggunakan baterai sebagai penyimpanan energinya
Untuk merealisasikan ide pembuatan alat untuk menaikkan tegangan dari
12 V ke 380 V maka alat untuk memberikan tegangan keluaran yang lebih tinggi dari
tegangan masukkan yang rendah dengan dikendalikan oleh sinyal kontrol berupa
sinyal PWM (Pulse Width Modulation) menggunakan Atmega 328 untuk kemudian
diinterface ke komputer untuk pengumpulan data. Berdasarkan referensi diatas maka
dibuatlah suatu “Rancang Bangun DC 12 V to DC 380 V Konverter 1000 Watt
dengan Atmega 328 sebagai Osilator 65 Khz” untuk menghasilkan energi dengan
keluaran 380 V DC bertegangan konstan terhadap beban serta arus dan tegangannya
dapat dimonitor dengan menggunakan sensor arus dan tegangan serta pengaturan Duty Cycle sinyal Pulse Width Modulation (PWM) oleh microcontroller Atmega 328.
1.2 Rumusan Masalah
Penelitian ini diarahkan pada permasalahan sebagai berikut :
1. Bagaiamana cara merancang suatu sistem konversi DC 12 V ke 380 DC V dapat diperoleh?
2. Bagaimana proses konversi DV ke DC dari baterai dapat menghasilkan keluaran 380 V DC yang stabil?
1.3 Batasan Masalah
Untuk memfokuskan penelitian ini, maka disusunlah batasan masalah yang akan diteliti yaitu sebagai berikut :
1. Konversi DC ke DC dibatasi dengan input DC 12 V dan output DC 380 V dengan total daya 1000 Watt
2. Konversi menggunakan type pushpull terisolasi
3. Menggunakan mikrokontroller ATMega 328 sebagai pengontrol utama pada pembangkit frekuensi dengan nilai PWM yang dapat diatur
1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Untuk merancang alat DC to DC 380 converter berbasis ATMega 328.
2. Untuk menghasilkan output pada DC to DC converter sekitar 380 volt.
1.5 Manfaat Penelitian
1. Jaringan daya dengan tegangan 380 V DC dapat digunakan saat jaringan listrik AC 220 V tidak berfungsi.
2. Power unit ini dapat digunakan secara langsung pada inverter DC to DC pure sine.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman maka penulis membuat sistematikan pembahasan bagaimana sebenarnya prinsip kerja dari alat RANCANG BANGUN DC 12 V TO DC 380 V KONVERTER 1000 WATT DENGAN ATMEGA 328 SEBAGAI OSILATOR 65 KHZ Maka penulis
menulis skripsi ini dengan sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini berisikan pendahuluan yang menjelaskan mengenai latar belakang, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian serta sistematika penulisan.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini menjelaskan tentang teori-teori pendukung dalam penelitian.
Adapun teori pendukung dalam penelitian ini yaitu tentang mikrokontroler Arduino Uno (hardware dan software), PWM (Pulse Width Modulation), Duty Cycle, Mosfet, Gate Driver.
BAB 3 METODE PENELITIAN
Bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok, diagram alir, skematik serta sistem kerja dari masing-masing rangkaian.
BAB 4 HASIL DAN ANALISIS
Bab ini berisikan tentang pengujian alat dan juga analisis penelitian yang telah dibuat.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan bab penutup yang berisikan kesimpulan dan saran.
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Daya listrik didefenisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik.
Satuan SI daya listrik adalah watt yang mengatakan banyaknya tenaga lsitrik yang mengalir persatuan waktu (joule/sekon). Arus listrik yang mengalir dalam rangkaian dengan hambatan lsitrik menimbulkan kerja. Piranti mengkonversi kerja ini ke dalam berbagai bentuk yang berguna, seperti panas (seperti pada pemanas listrik), cahaya (seperti pada bola lampu), energi kinetik (motor listrik), dan suara (loudspeaker).
Listrik dapat diperoleh dari pembangkit listrik atau menyimpan energi seperti baterai.
Thomas A. Edison benar-benar memulai revolusi ketika ia mengusulkan penggunaan listrik alih-alih gas alam untuk menerangi rumah. Dalam industri kita mungkin menganggapnya sebagai perubahan dramatis dalam ide atau praktik. Evolusi di sisi lain dapat dianggap sebagai pengembangan bertahap dari sesuatu menjadi bentuk yang lebih baik. Dengan tujuan utama pusat data sebagai keandalan dan tujuan sekunder adalah mengelola biaya, orang harus melihat tren makro dalam hal daya, komputasi, dan keandalan. Topologi daya data center 380V dc adalah salah satu tren makro. 380V dc menyediakan sistem yang paling fleksibel dan hemat biaya untuk memenuhi permintaan energi yang berfluktuasi yang akan memanfaatkan
semua manfaat teknik dari arus searah. (Martinson, Timothy E. 2014).
Distribusi DC mengurangi jumlah langkah konversi daya dengan
memanfaatkan tegangan DC 380V; ini memberikan pengurangan signifikan dimensi
kabel dan biaya terkait. Konverter DC / DC menyediakan isolasi galvanik. Konverter
dapat berupa setengah, jembatan penuh, soft-switched / hardswitched atau fase-
shiftedconverter. Efisiensi keseluruhan tergantung pada efisiensi dua tahap menurut
persamaan (1). Eff stage1 (%) x Eff stage 2 (%) = Keseluruhan Eff (%). Setiap tahap
dituntut memiliki efisiensi setinggi mungkin, sehingga efisiensi total dapat setinggi
mungkin. Tegangan sistem 380Vdc cocok sebagai tegangan Boots untuk sebuah
Konverter DC / DC, ketika sistem baterai beroperasi mode mengapung. Maka tahap
Boost dapat dilewati dan efisiensi bisa mencapai di atas 98%. StarLine DC Solutions
dan EMerge Alliance berada di pusat inisiatif membawa 380V dc ke pusat data dan
bangunan komersial. Ketika baterai dalam mode pengisian atau pengosongan, dorongannya konverter perlu diaktifkan dan mendukung DC / DC tegangan input konverter. Karena baterai memberikan input DC yang bersih, baterai boost topologi dapat dibangun sebagai boost single switch standar dan tidak ada kebutuhan untuk dorongan tanpa jembatan lebih kompleks. Konverter AC / DC dan konverter DC / DC beroperasi sangat berbeda dalam hal tegangan input. Konverter AC / DC dalam operasi normal memiliki kisaran tegangan input lebar untuk menutup dan memberikan tegangan output yang diatur dengan efisiensi tinggi. Konverter DC/DC digunakan dalam sistem 380Vdc biasanya memiliki tegangan input yang stabil, karena baterai pada boots DC tegangan input ke konverter DC / DC hanya berubah selama siklus pengisian dan pengosongan baterai.(Schmidt, Odd R, Dkk. 2015).
Daya listrik atau dalam bahasa inggris disebut dengan electrical power adalah jumlah energi yang diserap atau dihasilkan dalam sebuah rangkaian. Sumber energi seperti tegangan listrik akan menghasilkan daya llistrik sedangkan beban yang terhubung dengannya akan menyerap daya listrik tersebut. Dengan kata lain, daya listrik adalah tingkat konsumsi energi dalam sebuah sirkuit atau rangkain listrik.
Sedangkan berdasarkan konsep usaha, yang dimaksud dengan daya listrik adalah besarnya usaha dalam memindahkan muatan per satuan waktu atau lebih singkatnya adalah jumlah energy listrik yang digunakan tiap detik. (H.Asmi)
2.1 DC-DC Converter
Sebuah DC-DC converter adalah sebuah rangkaian elektronik dan digunakan untuk memodifikasi rangkaian listrik DC dari satu tahap beda potensial untuk ditambahkan tingkat perbedaan potensial. Rangkaian DC-DC converter yang mengkonversi sumber DC dari satu tingkat tegangan yang lain dengan mengubah siklus tugas dari swicth utama di rangkaian. DC-DC converter yang banyak digunakan dalam pasokan beralih-mode power, speed drive disesuaikan, pasokan listrik terputus (UPS) dan banyak aplikasi lainnya untuk mengubah tingkat tegangan input untuk memenuhi kondisi operasi yang diperlukan. (A.Shankara)
Terdapat berbagai jenis konverter dengan berbagai prinsip kerja yang
dimilikinya yaitu:
2.1.1 Konverter Buck
Merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 2, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya. ktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.
Gambar2. 1. Rangkaian konverter DC-DC tipe buck
Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode penyaklarannya. Biasanya nilai faktor daya ini tidak lebih kecil dari 0.2, karena jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja dibawah keandalannya dan menyebabkan efisiensi konverter turun. Untuk rasio (Vd/Ed) yang sangat tinggi, biasanya digunakan konverter DC- DC yang terisolasi atau topologi yang dilengkapi dengan trafo.
2.1.2 The Push-Pull Konverter
Konverter ini terdiri atas dua saklar yang digunakan bisa dikendalikan dengan dua rangkaian gate yang referensinya sama. Ini akan sangat menyederhanakn rangkaian kendali yang diperlukan sehingga bisa dibuat dalam satu chip. Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang rendah karena saklar akan menaikkan tegangan sebesar dua kali tegangan masukannya. Oleh karena itu, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok dengan battery
Untuk mengoptimalkan efisiensi global konverter meningkatkan berdasarkan
inverter klasik yang dijelaskan di atas, dirancang converter dengan arsitektur simetris
menggunakan struktur push-pull. Masalahnya adalah pada kenyataan bahwa tegangan output yang dihasilkan oleh konverter ini adalah konstan dan hanya tergantung dengan rasio transformasi transformator, bukannya trafo arus yang lebih cocok untuk jenis ini digunakan. Konverter ini juga mengintegrasikan sistem PWM untuk menyesuaikan MPP kekuatan diekstrak dari panel. Memiliki sifat umum seperti generator tegangan yang berkaitan dengan tegangan panel di seri dengan saklar.
Gambar 2.2 Rangkaian Push Full Converter 2.1.3 Konverter Buck-Boost
Konverter buck-boost dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya. Skema konverter ini dapat dilihat pada gambar dibawah. Rangkaian kontrol daya penyaklaran akan memberikan sinyal pada MOSFET. Jika MOSFET OFF maka arus mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Saat saklar MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Hal inilah yang membuat topologi ini bisa menghasilakn nilai rata- rata tegangan keluaran/beban yang lebih tinggi maupun rendah dari tegangan sumbernya.
Masalah utama dari konverter tipe ini adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi.
Adapun yang perlu diperhatikan juga dalam hal ini adalah bahwa keluaran konverter
buck-booster bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan.
Gambar 2.3 Konverter Topologi Buck-Boost 2.1.6 Konverter Forward
Jika penerapan mesyaratkan adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran atau bekerja dengan rasio tegangan yang sangat tinggi maka konverter jenis forward bisa menjadi pilihan. Rangkaian dari konverter ini ditunjukan pada gambar berikut.
Jika saklar MOSFET menutup maka beban akan akan merasakan tegangan yang besarnya sebanding dengan tegangan masukan dikalikan rasio jumlah lilitan trafonya. Jika saklar MOSFET menutup maka tegangan bebannya sama dengan nol.
Akibatnya, nilali rata-rata tegangan bisa diatur dengan mengatur faktor kerja saklar.
Rasio tegangan yang tinggi didapat dengan memilih rasio jumlah lilitan trafo yang sesuai. Pada rangkaian, trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda. Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup. Tegangan masksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber ditambah tegangan primer trafo ( tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik selalu menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward seperti pada gambar rangkaian banyak dipakai untuk daya samapai 100 watt.
Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi
menjadi pada gambar b, dengan topologi ini, tegangan maksimum yang dirasakan
saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya samapai 1000 watt. Untuk
daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya empat saklar yang digunakam menjadi sangat membenai sistem.
2.1.7 Boost 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.
Skema konverter jenis ini dimana komponen utamanya terdiri atas MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor. Jika saklar MOSFET pada kondisi tertutup, arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar MOSFET terbuka, arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Keunggulan dari konverter boost adalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontiniu.
Gambar 2.4 Rangkaian konverter DC-DC tipe boost
Karena arus masukan konverter dapat dijaga kontinu, pada saat konverter ini diserikan dengan penyearah dioda, konverter ini tidak menimbulkan harmonisa pada arus sumber penyearah dioda. Atau dengan kata lain, arus sumber mempunyai bentuk gelombang mendekati sinusoidal dengan faktor daya sama dengan satu.
Step-up DC-DC konverter yang banyak digunakan untuk meningkatkan tingkat tegangan input rendah di ujung depan dari sistem listrik didistribusikan.
Sistem ini didukung oleh sumber energi terbarukan seperti panel surya, baterai, dan
sel bahan bakar. Sebuah tren baru dalam sistem generasi fotovoltaik perumahan
untuk mengadopsi konfigurasi paralel daripada koneksi seri untuk memenuhi persyaratan keselamatan saat menggambar daya maksimum yang tersedia dari PV panel. Tegangan input bisa berkisar 12-50 V dan tegangan output biasanya 380 V.
Sebuah konverter meningkatkan konvensional akan memiliki waktu yang sulit meningkatkan tegangan input dan mempertahankan efisiensi tinggi secara bersamaan. Ketika gain tegangan tinggi yang ekstrim diperlukan, konverter harus dioperasikan di bawah siklus tinggi. Namun, resistensi merugikan dari dorongan converter akan menyebabkan degradasi serius di kedua rasio konversi tegangan dan efisiensi. Selain itu, dioda dengan rating tegangan tinggi juga akan menyebabkan masalah pemulihan terbalik parah sehingga snubber tambahan saat atau saklar sinkron dengan rating tegangan tinggi harus digunakan. Sayangnya, sirkuit penambahan atau perangkat beralih akan meningkatkan converter kerugian.
konverter terisolasi khas seperti maju, flyback, push-pull, setengah-jembatan, dan jenis jembatan penuh dapat mencapai rasio konversi tegangan tinggi dengan menyesuaikan rasio belitan transformator. Namun, tegangan spike pada switch akan besar karena induktor kebocoran trafo dan disipasi daya akan merugikan efisiensi keseluruhan converter. Demikian pula, penjepit sirkuit aktif tetapi biaya converter akan meningkat sesuai. Untuk fase-shift penuh jembatan converter, arus input berdenyut dan kehidupan panel PV bisa dikurangi secara dramatis. Selain itu, lebih kapasitor elektrolit yang diperlukan untuk menekan riak arus besar disebabkan oleh arus masukan berdenyut. Oleh karena itu, nonisolated konverter DC-DC menjadi solusi yang cocok untuk meningkatkan efisiensi sistem dan mengurangi biaya sistem.
System boost bisa menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding
tegangan masukannya (penaik tegangan). Jika saklar MOSFET ditutup maka arus di
induktor akan naik (energi tersimpan di induktor naik). Saat saklar dibuka maka
arus induktor akan mengalir menuju beban melewati dioda (energy tersimpan di
induktor turun). Rasio antara tegangan keluaran terhadap tegangan masukan
konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan
saklar. Ciri khas utama konverter ini adalah bisa menghasilkan arus masukan yang
kontinyu. Pada saat ini, sistem boost banyak dipakai dalam penyearah yang
mempunyai faktor-daya satu. Pada rangkaian ini, saklar dikendalikan
sedemikian rupa sehingga gelombang arus induktor mempunyai bentuk seperti bentuk gelombang sinusoidal yang disearahkan.
Efesiensi Konverter
Melalui pengukuran tegangan yang telah dilakukan pada beberapa percobaan yang ada tegangan dan arus pada saat konverter boost diberi beban, maka dapat dihitung efisiensinya dengan menghitung daya masukan dan keluaran. Untuk menghitung efisiensi konverter boost ini sendiri dapat menggunakan persamaan:
ρ =
Pox 100% (2.1)
Pi
Perhitungan yang dilakukan pada kondisi duty cycle yang berubah-ubah.
2.2 Transistor pengaruh medan (Field-Effect Transistor)
Transistor pengaruh medan (disingkat FET) merupakan alat semikonduktor di mana arus keluaran dikendalikan oleh medan listrik. Karena pembawanya hanya satu jenis, terutama pembawa mayoritas, yang ikut serta dalam kerja FET, maka dinamakan transistor satu kutub (unipolar). Ada dua kelas utama dari transistor pengaruh medan: (1) transistor pengaruh medan hubungan (junction field-effect transistor, disingkat JFET atau hanya FET saja), dan (ii) transistor pengaruh medan gerbang terisolasi (insulated gate field-effect transistor (IGFET). Kelas terakhir ini lebih dikenal sebagai transistor pengaruh medan semikonduktor logam oksida (metal oxide semiconductor field-effect transistor - MOSFET).
Prinsip kerja FET yaitu kalau hubungan antara gerbang dan sumber dicatu balik, akan berbentuk daerah kosong (depletion) dikedua sisi kanal. Daerah kosong ini akan meluas ke dalam kanal pada saat tegangan catu balik naik.
Daerah kosong ini hanya terdiri dari muatan-muatan tidak bergerak dan tidak ada pembawa bebas, karena itu hantaran dalam daerah ini praktis sama dengan nol.
Sehingga penampang efektif dari kanal penghantar antara daerah-daerah kosong
dan berkurang dengan membesarnya tegangan catu balik. Jadi, untuk tegangan
drain ke sumber tetap, arus drain akan merupakan fungsi tegangan gerbang ke
sumber. Dengan kata lain, tegangan yang diterapkan ke gerbang mengendalikan
arus drain. Hubungan gerbang sumber yang dicatu balik, menyebabkan arus yang
ditimbulkan gerbang akan sangat kecil. Dengan kata lain, inpedansi masukan antara gerbang dan sumber dari FET hubungan amat besar.
Gambar dibawah ini menunjukkan rangkaian penguat FET dengan catu baterai. Sinyal ac yang diperbuat dihubungkan seri dengan baterai pencatu gerbang Vinn. Hal ini mengakibatkan perubahan tegangan total gerbang ke sumber.
Resistansi beban dihubungkan ke terminal drain, seperti ditunjukkan.
Tegangan keluaran ac keluaran Vout untuk tegangan sinyal masuk.
Gambar 2.5 Rangkaian Penguat FET Dasar
Kalau tegangan sinyal positif, gerbang menjadi kurang negative dibandingkan dengan sumber. Akibatnya arus drain diperkuat mengakibatkan penurunan tegangan yang besar lewat resistansi yang membuat terminal drain kurang positif dibandingkan dengan sumber. Perubahan tegangan kecil pada gerbang menghasilkan perubahan tegangan pada resistansi yang menghasilkan penguatan. Juga, karena kenaikan tegangan gerbang mengakibatkan turunnya tegangan drain, maka terjadi pergeseran fasa 180° antara masuka dan keluaran FET. (D.Chattopadhyay)
2.3 Pengenalan Mikrokontroller
Jika kita ingin membuat aplikasi elektronika, menggunakan
mikrokontroler 8086/8088 tampaknya saat ini cukup sulit karena dibutuhkan
biaya yang besar untuk mewujudkannya. Cara lain yang lebih gampang dan
popular saat ini ialah mengembangakan aplikasi menggunakan kitmikrokontroler
(main board) yang beredar luas dipasaran. Mikrokontroler dapat berfungsi
sebagai pengontrol utama dalam sistem elektronika digital. Kita dapat
mengisikan program ke dalam flash memory dari mikrokontroler tersebut. Jadi
dengan hanya 1 chip saja, kita dapat membuat suatu sistem elektronika canggih karena semua fitur (memori, ADC, komunikasi serial, ROM, timer dll) sudah ada di dalam mikrokontroler tersebut.
2.3.1 Mikrokontroller ATmega 328
Semua jenis perangkat elektronik, memiliki sebuah mikrokontroller yang berperan sebagai jantung dari sistemnnya. Mikrokontroller mampu melaksanakan semua kerja pemprosesan kompleks yang diperlukan untuk menghubungkan input system ke outputnya. Mikrokontroller adalah sebuah rangkaian terpadu tunggal, dimana semua blok rangkaian yang kita jumpai sebagai unit-unit terpisah di dalam sebuah computer digabungkan menjadi satu.
Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Sekedar contoh, bayangkan diri kita saat mulai belajar membaca dan menulis, ketika kita sudah bisa melakukan hal itu kitabisa membaca tulisan apapun baik buku, cerpen, artikel dan sebagainya, dan kitapun bisa pula menulis hal-hal sebaliknya.
Begitu pula jika kita sudah mahir membaca dan menulis data maka kita dapat membuat program untuk membuat suatu sistem pengaturan otomatik menggunakan mikrokontroler sesuai keinginan kita. Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya. Secara garis besar bisa disebut
“pengendali kecil” dimana sebuah system elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini.
Program ini menginstruksikan komputer untuk melakukan tugas yang lebih
kompleks yangdi inginkan oleh programmer konfigurasi pin Atmega 328 dapat
dilihat pada gambar berikut:
Gambar 2.6 Pin Mikrokontroller ATMega328
2.3.2 Pengaturan PWM dan Duty Cycle oleh Microcontroler
Pengaturan PWM dilakukan oleh register timer. Terdapat 3 register timer pada microcontroler atmega 328 yaitu Timer0, Timer1 dan Timer2. Timer ini terpasang pada pin yang berbeda sesuai dengan berikut.
Tabel 2.1 Timer Pada Microcontroler Atmega 328
Timer Fungsi Pin Output
Timer 0
Waktu delay dengan satuanmillisecond
Pengendalian output PWM
Pin 5 dan 6
Timer 1 Pengendalian output PWM Pin 9 dan 10
Timer 2 Pengendalian output PWM Pin 3 dan 11
Dari ketiga timer tersebut, hanya 0 yang dilengkapi dengan ISR (Interrupt Service Rountine) sehingga untuk keperluan PWM (Pulse Width Modulation) menggunakan timer 1 yang akan mengatur pin 9 dan 10 dan sedangakan timer 2 untuk mengatur pin 3 dan 11.
Berikutnya register TCNT0. Register ini digunakan untuk menyimpan counter waktu dari Timer0, dan akan otomatis menghitung apabila register timer diaktifkan.
Kemudian Register OCR0 (Output Compare Register 0), kita dapat mengisinya
sesuai kebutuhan. Dimana sesuai namanya, register ini digunakan sebagai pembanding nilai dari TCNT0. Defaultnya, counter TCNT0 selalu dimulai dari 0.
Karena registernya adalah 8-bit. Maka hitungan akan berakhir di nilai 255. Saat itu terjadi counter akan kembali bernilai 0, menghitung lagi hingga bernilai 255 dan seterusnya. Pada mode normal (non-inverting), nilai TCNT0 akan dibandingkan dengan nilai OCR0. Saat nilai TCNT0 lebih kecil daripada OCR0 maka output dari OC0 adalah aktif HIGH. Sebaliknya, pada saat nilai TCNT0 lebih besar daripada OCR0, maka output OC0 menjadi aktif LOW (Clear on compare match non- inverting).
Nilai state dari OC0 ini lah yang kita manfaatkan sebagai output PWM. Pada Atmega328, OC0 berada pada pin PB3. Disini kita dapat memahami bahwa dengan mengatur nilai OCR0, kita bisa menentukan lebar pulsa atau Duty Cycle dari PWM yang dikeluarkan.
2.4 Bahasa Pemograman C
Bahasa C dikembangkan pada Lab Bell pada tahun 1978, oleh Dennis Ritchi dan Brian W. Kernighan. Pada tahun 1983 dibuat standar C yaitu standar ANSI ( American National Standards Institute ), yang digunakan sebagai referensi dari berbagai versi C yang beredar dewasa ini termasuk Turbo C.
Dalam beberapa literature, bahasa C digolongkan bahasa level menengah karena bahasa C mengkombinasikan elemen bahasa tinggi dan elemen bahasa rendah. Kemudahan dalam level rendah merupakan tujuan diwujudkanya bahasa C. pada tahun 1985 lahirlah pengembangan ANSI C yang dikenal dengan C++
(diciptakan oleh Bjarne Struostrup dari AT % TLab). Bahasa C++ adalah pengembangan dari bahasa C. bahasa C++ mendukung konsep pemrograman berorientasu objek dan pemrograman berbasis windows.
Sampai sekarang bahasa C++ terus brkembang dan hasil
perkembangannya muncul bahasa baru pada tahun 1995 (merupakan keluarga C
dan C++ yang dinamakan java). Istilah prosedur dan fungsi dianggap sama dan
disebut dengan fungsi saja. Hal ini karena di C++ sebuah prosedur pada dasanya
adalah sebuah fungsi yang tidak memiliki tipe data kembalian (void). Hingga kini
bahasa ini masih popular dan penggunaannya tersebar di berbagai platform dari
windows samapi linux dan dari PC hingga main frame.
2.5 Baterai
Baterai adalah alat elektro kimia yang dibuat untuk mensuplai listrik ke komponen kelistrikan. Baterai menyimpan listrik dalam bentuk energi kimia, yang dikeluarkannya bila diperlukan dan mensuplainya ke masing-masing sistem kelistrikan atau alat yang memerlukannya.
Gambar 2.7 Baterai
Baterai merupakan suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian energi listrik diubah menjadi energi kimia dan saat pengeluaran energi kimia diubah menjadi energi listrik.
Baterai yang digunakan adalah baterai aki ini berfungsi untuk menyimpan tegangan yang dihasilkan dimanfaatkan kembali.
Baterai sangat berperan penting dalam sistem ini karena baterai digunakan untuk membantu agar dapat menjaga kestabilan suplai daya ke beban yang digunakan. Baterai mengalami proses siklus mengisi (charging) dan pengosongan (discharging) tergantung dari ada atau tidak adanya energi yang masuk ke dalamnya. Apabila energi yang dihasilkan melebihi dari yang dibutuhkan maka pada saat inilah baterai akan mengalami pengisian. Sebaliknya saat energi masukan tidak ada atau pada saat energi dari sumber daya yang dibutuhkan kurang maka energi yang digunakan diambil dari energi baterai.
Proses pengisian dan pengosongan inilah yang dinamakan dengan siklus baterai
(Eva Damayanti).
2.6 Transformator
Transformator merupakan alat yang dapat dipergunakan untuk menaikkan tegangan (step-up) dan menurunkan tegangan (step-down). Prinsip kerja dari alat ini sepenuhnya menggunakan peristiwa induksi. Gaya gerak listrik (ggl) dapat dibangkitkan di dalam sebuah kumparan, jika kumparan pembawa arus ditempatkan di dekatnya. Peristiwa ini dinamakan induksi tmbal balik.
Terjadinya induksi timbale balik disebabkan oleh adanya perubahan medan magnet.
(a) (b)
Gambar 2.8 Trafo Step Up (a) dan Step Down (b)
Bila saklar dihubungkan, kumparan pembawa arus sebagai kumparan primer segera menginduksi diri lewat medan maknit yang terbentuk. Selanjutnya arus induksi tersebut diterima oleh kumparan penerima arus induksi sebagai kumparan sekunder. Besarnya arus induksi timbale balik yang diterima dapat terbaca pada petunjuk tegangan yang dipasang parallel dengan kumparannya.
(Hermagasantos).
2.7 Sensor Arus ACS712
ACS712 adalah sensor arus yang bekerja berdasarkan efek medan. Sensor arus ini dapat digunakan untuk mengukur arus AC atau DC. Modul sensor ini telah dilengkapi dengan rangkaian penguat operasional, sehingga sensitivitas pengukuran arusnya meningkat dan dapat mengukur perubahan arus yang kecil. Sensor ini digunakan pada aplikasi-aplikasi di bidang industri, komersial, maupun komunikasi.
Contoh aplikasinya antara lain untuk senso kontrol motor, deteksi dan manajemen penggunaan daya, sensor untuk catu daya tersaklar, sensor proteksi terhadap arus lebih, dan lain sebagainya.Spesifikasi Sensor Arus ACS712:
1. Berbasis ACS712 dengan fitur:
Waktu kenaikan perubahan luaran = 5 µs.
Lebar frekuensi sampai dengan 80 kHz.
Total kesalahan luaran 1,5% pada suhu kerja TA= 25°C.
Tahanan konduktor internal 1,2 mΏ.
Tegangan isolasi minimum 2,1 kVRMS antara pin1-4 dan pin 5-8.
Sensitivitas luaran 185 mV/A.
Mampu mengukur arus AC atau DC hingga 5 A.
Tegangan luaran proporsional terhadap masukan arus AC atau DC.
2. Tegangan kerja 5 VDC.
3. Dilengkapi dengan penguat operasional untuk menambah sensitivitas luaran.
Gambar 2.9 Sensor Arus ACS712
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena di dalamnya terdapat rangkaian offset rendah linier medan dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh IC medan terintegrasi dan diubah menjadi tegangan proporsional.
Ketelitian dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada di dalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan tranducer medan secara berdekatan. Hambatan dalam penghantar sensor sebesar 1,2 mΩ dengan daya yang rendah. Jalur terminal konduktif secara kelistrikan diisolasi dari sensor timah mengarah (pin 5 sampai pin 8). Hal ini menjadikan sensor arus ACS712 dapat digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan isolasi listrik tanpa menggunakan opto-isolator atau teknik isolasi lainnya yang mahal. IC ACS712 tipe 5A IC ini mempunyai sensitivitas sebesar 185mV/A. Saat arus yang mengalir 0A IC ini mempunyai output tegangan 2,5V.
Nilai tegangan akan bertambah berbanding lurus dengan nilai arus.
Gambar 2.10 MOSFET 2.8 MOSFET
MOSFET merupakan singkatan dari Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor yang merepresentasikan bahan-bahan penyusunnya yang terdiridari logam, oksida dan semikonduktor (Baskara Internalis, 2007). Terdapat 2 jenis MOSFET yaitu tipe NPN atau N channel dan PNP atau biasa disebut Pchannel.
MOSFET dibuat dengan menyusun lapisan oksida pada semikonduktor dari tipe NPN maupun PNP dan lapisan logam diletakkan diatasnya.Biasanya bahan semikonduktor pilihan adalah silikon, namun beberapaprodusen IC, terutama IBM, mulai menggunakan campuran silikon dan germanium (SiGe) sebagai kanal MOSFET. Sayangnya, banyak semikonduktor dengan karakteristik listrik yang lebih baik daripada silikon, seperti galiumarsenid (GaAs), tidak membentuk antarmuka semikonduktor ke isolator yangbaik sehingga tidak cocok untuk MOSFET. Hingga kini terus diadakan penelitian untuk membuat isolator yang dapat diterima dengan baik untuk bahan semikonduktor lainnya. Untuk mengatasi peningkatan konsumsi daya akibat kebocoran arus gerbang, dielektrik κ tinggi menggantikan silikon dioksida sebagai isolator gerbang, dan gerbang logam kembali digunakan untuk menggantikan polisilikon. Gerbang dipisahkan dari kanal oleh lapisan tipisisolator yang secara tradisional adalah silicon dioksida, tetapi yang lebih maju menggunakan teknologi silicon oxynitride. Beberapa perusahaan telah mulaimemperkenalkan kombinasi dielektrik κ tinggi + gerbang logam di teknologi 45 nanometer.
Pada rangkaian ini saya mengguanakan mosfet IRF 740 dengan Vgs yang memadai
pada range tegangan 400 volt, IRF740 juga memiliki Rds Yang cukup kecil sehingga
memperbesar daya beban yang dapat ditampung oleh rangkaian ini.
(http://www.electronocs-tutorial) 2.9 Dioda
Dioda atau diode adalah sambungan bahan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Bahan tipe-p akan menjadi sisi anoda sedangkan bahan tipe-n akan menjadi katoda. Bergantung pada polaritas tegangan yang diberikan kepadanya, dioda bisa berlaku sebagai sebuah saklar tertutup (apabila bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan berlaku sebagi saklar terbuka (apabila bagian anode mendapatkan tegangan negatif sedangkan katode mendapatkan tegangan positif). Kondisi tersebut terjadi hanya pada diode ideal-konseptual. Pada dioda faktual (riil), perlu tegangan lebih besar dari 0,7V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon) pada anoda terhadap katoda agar dioda dapat menghantarkan arus listrik. Tegangan sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3V. (Choirul Anam, 2008)
Gamabr 2.11 Susunan dan simbol diode 2.10 Sensor Tegangan
Komponen sensor tegangan adalah 2 buah resistor yang dipasangkan secara seri. Sensor tegangan ini berupa pembagi tegangan. Tegangan yang dihasilkan masih harus berada pada range 0 – 5volt agar dapat terbaca pada pin analog microcontroler.
Gambar 2.12 Sensor Tegangan
2.11 Efisiensi Daya
Daya adalah jumlah energi yang diserap atau dihasilkan dalam sebuah sirkuit/rangkaian. Sumber Energi seperti Tegangan listrik akan menghasilkan daya listrik sedangkan beban yang terhubung dengannya akan menyerap daya listrik tersebut. Dengan kata lain, Daya listrik adalah tingkat konsumsi energi dalam sebuah sirkuit atau rangkaian listrik. Kita mengambil contoh Lampu Pijar dan Heater (Pemanas), Lampu pijar menyerap daya listrik yang diterimanya dan mengubahnya menjadi cahaya sedangkan Heater mengubah serapan daya listrik tersebut menjadi panas. Semakin tinggi nilai Watt-nya semakin tinggi pula daya listrik yang dikonsumsinya. Dalam rumus perhitungan, Daya Listrik biasanya dilambangkan dengan huruf “P” yang merupakan singkatan dari Power. Sedangkan Satuan Internasional (SI) Daya Listrik adalah Watt yang disingkat dengan W. Watt adalah sama dengan satu joule per detik (Watt = Joule / detik). Dalam penggunaan perlalatan elektronika pasti ditemukan kehilangan daya. Kehilangan daya diakibatkan karena dilepaskan dalam bentuk lain yaitu panas, cahaya dan lain lain. Perbandingan antara daya yang masuk dengan daya yang keluar disebut dengan efisensi daya.
Adapaun persamaan efisensi daya adalah sebagai berikut.
η =
����x 100% (2.2)
���
dimana : �
���= Daya output (Watt)
�
��= Daya Input (Watt) η = Efisiensi (%)
2.12 Tegangan DC
Tegangan searah atau dc banyak dipergunakan di dalam industri, bukan
hanya sebagai sumber daya listrik motor dc, tetapi juga banyak untuk aplikasi yang
lain. Biasanya tegangan dc ini didapat dari tegangan ac yang disearahkan dengan
komponen semikonduktor seperti dioda, thyristor, mosfet dll. Tegangan dc ini tidak
hanya harus tersaring dengan bersih tetapi juga teregulasi dengan baik. Kalau sumber
arus searah ini dibebani maka tegangan outputnya akan berubah. Perubahan ini
disebabkan oleh jatuhnya tegangan di diode, saluran, transformator atau di generator
kalau sumbernya langsung dari generator.
Perubahan ini juga disebabkan oleh perubahan tegangan sumber. Perubahan ini tentunya tidak diinginkan, karena akan mengurangi unjuk kerja dari peralatan yang kita pasang. Maka diperlukannya suatu pengendalian tegangan dc, sehingga peralatan yang kita pasang bekerja sesuai dengan kemampuannya. Berdasarkan ide yang membutuhkan tegangan konstan maka dibuatlah suatu alat yang bisa menjaga tegangan konstan. Tegangan DC keluaran dari konverter harus dinaikkan terlebih dahulu untuk meningkatkan efisiensi dan meningkatkan rasio konversi.
Penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC lebih jarang diterapkan daripada penyaluran tenaga listrik dengan tegangan AC. Namun demikian, penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC memiliki sejumlah keuntungan dibandingkan dengan tegangan AC. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya:
1. Dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama, kapasitas penyaluran dengan sistem DC lebih besar daripada dengan sistem AC.
2. Isolasi sistem DC lebih sederhana daripada sistem AC.
3. Tidak ada persoalan frekuensi pada penyaluran jarak jauh menggunakan sistem DC.
4. Penerapan sistem DC dapat mengurangi fluktuasi tegangan pada beban-beban pengguna sehingga tegangan yang disuplai ke beban pengguna hampir dapat dijaga konstan.
5. Dengan rugi korona yang sama dan tingkat gangguan radio (radio interference) tertentu, tegangan DC dapat dinaikkan lebih tinggi daripada tegangan AC.
6. Lebih rendah biaya saluran udara (overhead line) atau biaya saluran kabel bawah tanah (underground) atau biaya kabel bawah laut (submarine) serta tidak
memerlukan kapasitor seri atau shunt.
Efisiensi (daya yang terpakai) lebih besar karena faktor daya pada sistem DC
= 1, sedangkan faktor daya pada sistem AC belum tentu 1, biasanya kurang dari 1
yang menyebabkaan tidak semua daya total menjadi daya aktif. Gambar 2.11
menjelaskan tentang faktor daya
Gambar 2.13 Segitiga Daya
Nilai faktor daya seperti yang digambarkan oleh segitiga daya pada Gambar 2.11 adalah:
Cos Q =
��
(2.3)
Pada sistem DC, karena tidak ada daya reaktif (Q), sudut faktor dayanya bernilai 0. Dengan demikian nilai faktor dayanya adalah: cos 0
0= 1 atau P/ S= 1 atau total daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi daya aktif.
Sedangkan pada sistem AC, cos φ dapat bernilai kurang dari 1 diakibatkan terdapatnya daya reaktif (Q) yang salah satunya dapat ditimbulkan oleh beban yang bersifat induktif (lagging). Misalnya sudut faktor daya 37
o, maka : Cos 37
o=0,8 =P/S Karena P/S< 1 , maka tidak seluruh daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi daya aktif. Terdapat daya reaktif yang dihasilkan yaitu sebesar: Q = S . Sin 37= 0.6 S.
2.13 Tegangan 380 V DC
European Telecommunications Standards Institute (ETSI) dan Emerge Alliance telah membakukan 380 Vdc dan membuat panduan untuk distribusi listrik DC. Dalam sistem listrik dc, UPS digunakan untuk mengubah listrik dari ac ke dc. Karena distribusi ke pusat data menggunakan dc, bypass sistem UPS juga akan membutuhkan rectifier. Akibatnya, sistem dc lebih hemat biaya dalam sistem. Hal yang perlu diperhatikan ketika merancang sistem distribusi listrik dc adalah menggunakan perangkat perlindungan yang tepat, dan mengikuti syarat spesisik untuk sistem grounding dc (merujuk ke IEEE Standard 1100-2005 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment). Dalam usaha untuk meningkatkan efisiensi energi dan menghemat biaya, berbagai strategi distribusi listrik ke pusat data mulai marak digunakan.
Peningkatan efisiensi dicapai dengan menggunakan sistem distribusi DC
dibandingkan dengan distribusi AC sistem dapat dikaitkan dengan berbagai alasan. Alasan utama untuk efisiensi sistem DC yang lebih tinggi adalah itu membutuhkan jumlah tahap konversi daya yang lebih rendah. Standarisasi jaringan DC akan menjadi kunci untuk menggabungkan produk dari beberapa produsen yang dikenal dari jaringan listrik AC.
Tabel 2.2 Perbandingan Parameter Jaringan Listrik DC sebagai Input untuk Standarisasi
Standardisasi DC 380V di pusat data cukup baru. Sejumlah besar perusahaan seperti EMerge Alliance dan APC bekerja untuk menyediakan produk mematuhi standar 380V DC untuk aplikasi pusat data. Distribusi DC tingkat fasilitas (di sini distribusi 380V DC) menyediakan lebih tinggi efisiensi sebagai inverter (konverter DC-AC) di UPS, konverter AC-DC di PSU, dan transformator di PDU yang di dapat terbatas.
Unit catu daya (PSU) mengubah AC pasokan ke DC yang diatur bertegangan rendah
Gambar 2.14 Arsitektur distribusi daya 380V DC daya untuk komponen internal server atau media penyimpanan digital.
PSU miliki efisiensi energi lebih tinggi daripada PSU AC karena
memiliki tahap konversi yang lebih sedikit. Juga, DC PSU jauh lebih andal dan memiliki ketersediaan lebih tinggi dari AC PSU karena jumlahnya lebih sedikit komponen dalam jalur pengiriman daya.
PSU DC akan memiliki efisiensi yang lebih tinggi dan keandalan yang lebih baik daripada AC PSU karena lebih sedikit jumlah konverter secara seri.
Arsitektur distribusi daya 380V DC telah diusulkan untuk diperoleh peningkatan efisiensi dan keandalan yang lebih tinggi dalam kekuatan pusat data.
Berbagai penelitian telah dilakukan untuk memvalidasi peningkatan efisiensi dalam distribusi DC sistem. Laboratorium Nasional Lawrence Berkley (LBNL) mulai menyelidiki distribusi DC efisiensi di pusat data pada tahun 2004.
Hasil yang diperoleh dalam penelitian mereka menyatakan bahwa distribusi DC mengkonsumsi daya 28% lebih sedikit dibandingkan dengan distribusi AC pada pusat data. Investigasi yang dilakukan menyimpulkan bahwa pada beban 50%, sistem 380 Vdc adalah yang paling efisien di antara sistem yang dipertimbangkan sebelumnya.
2.13 Driver Mosfet IR 2113
Driver Mosfet IR 2113 digunakan untuk membantu pensaklaran mosfet IRFP 460 pada mode high slide switch dan low slide switch. Mode high slide swith IR 2113 diberi tambahan rankaian bootstrap yaitu rangkaian yang digunakan untuk menaikkan tegangan VCS pada Mosfet agar dapat tersaklar dan mode low slide switch IR 2113 langsung memberi tegangan pada VGS yamg melebihi VGSThreshold agar dapat tersaklar.
Driver FET ini dipilih untuk membuatnya serbaguna untuk beberapa
kekuatan FET yang berbeda seperti 4N60 atau serupa untuk mendapatkan lebih
banyak daya jika diperlukan. Induktor 100 mH diterapkan secara seri dengan
trafo keluaran untuk membantu trafo dalam meningkatkan induksi di bagian
primer trafo. Menggunakan mikrokontroler sebagai osilator mudah untuk
membuat osilasi tetapi frekuensinya tidak dapat disetel semulus osilator Chip
seperti NE555 atau AD9833 chip misalnya. Konverter boost dalam bentuk
elemennya terdiri dari induktor L dan dioda D yang terhubung dalam rangkaian
seri antara terminal input pertama dan terminal output pertama dari konverter
boost. Terminal input kedua dan terminal output kedua konverter boost terhubung secara umum. Kapasitor penyimpanan energi C terhubung di terminal output pertama dan kedua dari konverter boost. Transistor efek medan switching Q terhubung ke titik pertemuan antara induktor Mendaratkan dioda D dan ke jalur umum yang menghubungkan terminal input dan output kedua. Dioda tubuh dan kapasitas bawaan dari C dari MOSFET Q ditunjukkan secara paralel dengannya. Gerbang elektroda MOSFET Q digabungkan dengan output dari rangkaian kontrol A. Pada tahap konverter boost, arus yang mengalir melalui induktor L dipantau dan dibandingkan dalam sirkuit kontrol A dengan nilai referensi yang dihasilkan dari tegangan yang diperbaiki. Bentuk gelombang saat ini berbentuk memiliki bentuk gelombang yang sama seperti dan berada dalam fase dengan bentuk gelombang tegangan yang diperbaiki dengan mengendalikan rasio tugas ON dan / atau frekuensi switching dari saklar MOSFET Q. Output dari konverter boost adalah tegangan DC kira-kira diatur oleh rangkaian kontrol A.
2.14 IC NE555
IC Timer atau IC pewaktu adalah jenis IC yang digunakan untuk berbagai rangkaian elektronika yang memerlukan fungsi pewaktu dan multivibrator di dalamnya. Beberapa rangkaian yang memerlukan IC Timer diantaranya seperti waveform generator, frequency meter, jam digital, counter dan lain sebagainya. IC Timer atau IC pewaktu yang paling populer saat ini adalah IC 555 yang dikembangkan oleh Hans R. Camenzind yang bekerja untuk Signetic Corporation pada tahun 1970-an. Pada dasarnya, IC Timer 555 merupakan IC monolitik pewaktu yang menghasilkan osilasi (oscilation) dan waktu penundaan (delay time) dengan keakuratan dan kestabilan tinggi.
IC Timer 555 yang umum digunakan adalah IC Timer 555 yang berbentuk
DIP (Dual Inline Package) dengan 8 kaki terminalnya. Namun seiring dengan
perkembangannya, saat ini kita dapat menemui beberapa versi IC 555, diantaranya
seperti IC 556 yang menggabungkan 2 buah IC 555 dalam satu kemasan (14 kaki),
IC 558 yang menggabungkan 4 buah IC555 dalam satu kemasan (16 kaki) serta
IC555 yang mengkonsumsi daya rendah seperti 7555 dan TLC555. Nama IC 555
diambil dari 3 buah resistor yang terdapat dalam kemasan IC dengan nilai masing- masingnya 5 kΩ.
Gambar 2.10 IC NE555
Berikut ini adalah susunan dan konfigurasi Kaki IC 555 yang berbentuk DIP 8 kaki.
a. Kaki 1 (GND) : terminal ground atau terminal negatif sumber tegangan DC.
b. Kaki 2 (TRIG) : terminal trigger (pemicu), digunakan untuk memicu output menjadi “high”, kondisi high akan terjadi apabila level tegangan pada kaki trigger ini berubah dari high menuju ke <1/3Vcc (lebih kecil dari 1/3Vcc).
c. Kaki 3 (OUT) : terminal output (keluaran) yang memiliki 2 keadaan yaitu tinggi (high) dan rendah (low).
d. Kaki 4 (RESET) : terminal reset. Apabila kaki 4 digroundkan, output ICakan menjadi rendah dan menyebabkan perangkat ini menjadi off. Oleh karena itu, untuk memastikan IC dalam kondisi on, kaki 4 biasanya diberikan sinyal high.
e. Kaki 5 (CONT) : terminal control voltage (pengatur tegangan), memberikan akses terhadap pembagi tegangan internal. secara default, tegangan yang ditentukan adalah 2/3 vcc.
f. Kaki 6 (THRES) : terminal threshold, digunakan untuk membuat output menjadi low. Kondisi low pada output ini akan terjadi apabila kaki 6 atau kaki threshold ini berubah dari low menuju > 1/3 vcc (lebih besar dari 1/3 vcc).
g. Kaki 7 (DISCH) : terminal discharge. Pada saat output low, impedansi kaki 7
adalah low. sedangkan pada saat output high, impedansi kaki 7 adalah high.
Kaki discharge ini biasanya dihubungkan dengan kapasitor yang berfungsi sebagai penentu interval pewaktuan. Kapasitor akan mengisi dan membuang muatan seiring dengan impedansi pada kaki 7. Waktu pembuangan muatan inilah yang menentukan interval pewaktuan dari IC 555.
h. Kaki 8 (Vcc) : terminal positif sumber tegangan DC (sekitar 4,5V atau 16V).
Berikut ini adalah generator pulsa dengan duty cycle yang dapat diatur dengan IC timer 555. Rangkaian ini merupakan multivibrator astabil dengan duty cycle 50%. Perbedaan dari desain standar timer 555 adalah resistansi antara pin 6 dan 7 dari IC yang terdiri dari P1, P2, R2, D1 dan D2.
Gambar 2.11 adjustable duty cycle menggunakan IC NE555
Komponen yang digunakan adalah C2 = 10µF, C3 = 0.1µF, R1 = R2 = 4.7K, D1 = D2 = 1N4148, IC = 555 dan C1, P1 dan P2 harus dikalkulasikan. Dioda D1 dan D2 menetapkan waktu pengisian yang tetap untuk C1 yang menghasilkan duty cycle 50%. Duty cycle (n) tergantung pada P1 dan P2 dengan persamaan berikut:
� = 1 +
�2�1
