SISTEM PENGENDALI PENGISIAN BATERAI PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA BATTERY CHARGING CONTROL SYSTEM IN SOLAR POWER PLANT ASMA AINUDDIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS HASANUDDIN MAKASSAR 2017

(1)

BATTERY CHARGING CONTROL SYSTEM IN SOLAR POWER PLANT

ASMA AINUDDIN

PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR

2017

(2)

SISTEM PENGENDALI PENGISIAN BATERAI PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

Tesis

Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar Magister

Program Studi Teknik Elektro

Disusun dan diajukan oleh

ASMA AINUDDIN

kepada

PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS HASANUDDIN

MAKASSAR 2017

(3)

(4)

(5)

Yang bertanda tangan dibawah ini :

Nama : Asma Ainuddin

Nomor Mahasiswa : P2700213414 Program Studi : Teknik Elektro

Menyatakan dengan sebenarnya bahwa tesis yang saya tulis ini benar- benar merupakan hasil karya saya sendiri, bukan merupakan pengambil- alihan tulisan atau pemikirian orang lain. Apabila dikemudian hari terbukti atau dapat dibuktikan bawha sebagaian atau keseluruhan tesis ini hasil karya orang lain, saya bersedia menerima sanksi atas perbuatan tersebut.

Makassar, 4 Desember 2017 Yang menyatakan,

Asma Ainuddin

(6)

v

PRAKATA

Assalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh

Alhamdulillah segala puji bagi Allah SWT, sang maha sempurna pen- cipta semesta dan seluruh isinya. Penulis bersyukur atas limpahan rahmat dan ridhoNya yang selalu tercurah. Tanpa karuniaNya, penulis tidak akan dapat menyelesaikan tesis ini tepat pada waktunya. Shalawat dan salam penulis kirimkan kepada Nabi Muhammad SAW beserta para sahabat dan keluarga beliau yang telah memberikan teladan dalam menjalani kehidup- an.

Tesis ini penulis susun untuk memenuhi salah satu persyaratan menyelesaikan program magister Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Uni- versitas Hasanuddin.

Banyak kendala yang penulis hadapi saat penyusunan tesis ini, Alha- mdulillah penulis bertemu banyak orang baik yang selalu siap sedia membantu penulis. Untuk itu penulis ingin memberikan penghargaan setinggi- tingginya untuk pihak-pihak yang telah membantu,

1. Dr. Ir. Zahir Zainuddin, M.Sc selaku Ketua Program Studi Teknik Elek- tro Pascasarjana Universitas Hasanuddin. Terima kasih atas nasehat, dukungan dan motivasi yang selalu diberikan kepada penulis.

2. Prof. Dr. Ir. H. Salama Manjang, MT selaku pembimbing I dan Dr.- Ing. Faizal Arya Samman selaku pembimbing II. Terima kasih yang sebesar-besarnya atas ilmu, arahan, bimbingan dan motivasi yang tak bosan diberikan kepada penulis selama penyusunan tesis ini.

3. Dr. Ir. H. Rizha S. Sadjad, MSEE, Prof. Dr. Ir. H. Andani Achmad, MT, Dr.Eng. Intan Sari Areni, ST., MT selaku Tim Penguji. Terima kasih atas koreksi, kritik dan saran yang diberikan kepada penulis demi

(7)

kesempurnaan tesis ini.

4. Bapak dan Ibu dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Hasanuddin.

Terima kasih atas ilmu yang telah diberikan kepada penulis selama menempuh studi.

5. Segenap staf dan civitas akademikan Jurusan Teknik Elektro Universi- tas Hasanuddin, terima kasih atas dukungan dan bantuannya selama ini.

6. Yang terkasih ayahanda Ainuddin dan ibunda Sitti Munah. Terima kasih setinggi-tingginya atas doa yang selalu terucap, kasih sayang, serta dukungan materil dan moril yang tidak henti-hentinya diberikan kepada penulis. Terima kasih selalu mendukung setiap langkah penulis.

7. Syafiah, Aisyah, Nur Adinah, Ruqayyah dan Khuzaimah, saudari ter- sayang penulis yang tak bosan memberikan motivasi dalam penyusunan tesis ini.

8. Tino Suhaebri dan Tim mikro4U Creative , terima kasih atas kerja- sama, segala bantuan dan dukungan yang diberikan kepada penulis guna menyelesaikan tesis ini.

9. Teman-teman TKJ 02 dan SK 08 yang tidak bosan memberikan motivasi kepada penulis untuk segera menyelesaikan studi.

10. Teman-teman seperjuangan Pascasarjana Elektro 2013 dan TKKE 13, terima kasih dukungan dan motivasi yang selalu diberikan kepada penulis untuk tidak lelah berjuang memperoleh gelar Magister Teknik.

11. Segenap civitas akademik STMIK Handayani, terima kasih atas dukungan dan pengertiannya kepada penulis selama penyelesaian tesis ini.

(8)

vii

12. Teruntuk bagi yang tidak sempat penulis tuliskan satu persatu, terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuannya kepada penulis sehingga berhasil menyelesaikan tesis ini.

Layaknya manusia biasa yang tak luput dari salah dan khilaf, Penulis merasakan masih banyak kekurangan yang terdapat dalam tesis ini. Oleh karena itu penulis berharap masukan yang membangun dari para pembaca guna membuat tesis ini lebih baik dari sebelumnya. Semoga tesis ini dapat memberikan manfaat bagi para pembacanya, khususnya memberi inspirasi bagi peneliti-peneliti selanjutnya dalam bidang kendali pengisian baterai.

Wassalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh

Makassar, 4 Desember 2017

Asma Ainuddin

(9)

ABSTRAK

ASMA AINUDDIN. Sistem Pengendali Pengisian Baterai Pada Pem- bangkit Listrik Tenaga Surya (dibimbing oleh Salama Manjang dan Faizal Arya Samman).

Penelitian ini bertujuan mendesain sistem yang mampu mempertahankan tegangan luaran panel surya pada level tegangan baterai dan meng- endalikan waktu pengisian baterai.

Penelitian ini merupakan penelitian kualitatif dan kuantitatif. Peneliti- an ini bersifat pemodelan simulasi dengan mendesain karakteristik charge pump dengan konfigurasi dioda dan mosfet sebagai komponen pensaklaran yang disimulasikan dengan software PSPICE. Pemodelan simulasi charge pump terdiri dari 3 skenario, simulasi charge pump terhadap variasi tegangan input, frekuensi pulsa dan tahanan beban. Kemudian perancangan perangkat keras dan perangkat lunak dilakukan berdasarkan hasil simulasi terbaik.

Hasil penelitian menunjukkan bahwa dari hasil simulasi yang dilakukan, karakteristik yang didapatkan berupa penguatan tegangan maksimum sebesar 2,44 kali, frekuensi kerja 10 kHz hingga 250 kHz, dan nilai tahanan beban antara 1 Ω hingga 5 kΩ. Berdasarkan hasil tersebut diketahui pu- la bahwa penggunaan dioda lebih baik dibandingkan penggunaan mosfet.

Oleh karena itu, perangkat keras charge pump dirancang dengan menggunakan dioda. Pengujian rangkaian dilakukan dengan menghubungkan panel surya ke masukan sistem kendali. Hasil akhir menunjukkan sistem kendali pengisian baterai mampu mempertahankan kondisi tegangan pada level baterai sebesar 12.8 V walaupun tegangan panel surya bervariasi pada nilai 5 V hingga 20 V.

Kata kunci: Panel Surya, Charge Pump, Dioda, Mosfet

(10)

ix

ABSTRACT

ASMA AINUDDIN. Battery Charging Control System in Solar Power Plant (supervised by Salama Manjang and Faizal Arya Samman).

This research aimed to design systems capable of maintaining the output voltage of the solar panel on battery voltage level in order to control the charging time.

The research was a qualitative and quantitative research using the simulation modeling by designing the characteristics of the charge pump with diode and Mosfet configuration as the switching component simulated with PSPICE software. Modeling of charge pump simulation consists of 3 scena- rios, charge pump simulation to variation of input voltage, pulse frequency and load resistance. Then designing the hardware and the software based on the best simulation result.

The result indicated that from the result of the simulation conducted, the characteristics obtained was a maximum voltage strengthening were 2.44 x, the working frequency was 10 k-Hz, and the load resistance va- lue was between 1 Ohm and 5 kOhm. These result showed that the use of diodes was better than the use of Mosfet. Therefore, the charge pump hardware designed using diodes. The circuit testing was conducted by con- necting the solar panel to the input of the control system. The final result indicated that the control system of the battery charging was capable to ma- intain the voltage condition at the battery level of 12.8 V, although the solar panel voltage varied from 5 V to 20 V.

Keywords: Solar Panel, Charge Pump, Diode, Mosfet.

(11)

DAFTAR ISI

PRAKATA v

ABSTRAK ix

ABSTRACT x

DAFTAR ISI xi

DAFTAR GAMBAR xiii

DAFTAR TABEL xv

I PENDAHULUAN 1

A. Latar Belakang . . . 1

B. Rumusan Masalah . . . 2

C. Tujuan Penelitian . . . 3

D. Batasan Masalah . . . 3

E. Sistematika Penulisan . . . 4

II TINJAUAN PUSTAKA 5 A. DC ke DC Converter (Charge Pump) . . . 5

B. Arduino Mega . . . 8

C. Baterai . . . 10

D. Kendali PID . . . 11

E. State of The Art Penelitian . . . 13

F. Kerangka Konseptual . . . 16

III SIMULASI DAN PEMODELAN SISTEM CHARGE PUMP 17 A. Metode Simulasi . . . 17

B. Software Simulasi PSpice . . . 18

C. Pemodelan Simulasi CP dengan Dioda . . . 20

C.1. CP Dioda terhadap variasi Tegangan Input . . . 22

C.2. CP Dioda terhadap variasi Frekuensi Pulse . . . 23

C.3. CP Dioda terhadap variasi Tahanan Beban . . . 25

D. Pemodelan Simulasi CP dengan Mosfet . . . 27

D.1. CP Mosfet terhadap variasi Tegangan Input . . . 29

D.2. CP Mosfet terhadap variasi Frekuensi Pulse . . . 30

D.3. CP Mosfet terhadap variasi Tahanan Beban . . . 32

E. Perbandigan Hasil Simulasi CP Dioda dan CP Mosfet . . . . 33

E.1. Karakteristik CP terhadap variasi Tegangan Masukan 33 E.2. Karakteristik CP terhadap variasi Frekuensi Pulse . . 34

(12)

xi

E.3. Karakteristik CP terhadap variasi Tahanan Beban . . 35

IV PERANCANGAN SISTEM 37 A. Perancangan Perangkat Keras . . . 37

A.1. Rangkaian CP . . . 38

A.2. Rangkaian Kendali, Display . . . 38

A.3. Rangkaian Sensor . . . 40

B. Perancangan Perangkat Lunak Sistem Kendali . . . 42

V HASIL DAN PEMBAHASAN 44 A. Hasil Perancangan Perangkat Keras . . . 44

B. Pengujian . . . 45

B.1. Pengujian CP tanpa sistem kendali . . . 45

B.2. Pengujian CP dengan sistem kendali . . . 51

VI KESIMPULAN DAN SARAN 55 A. Kesimpulan . . . 55

B. Saran . . . 56

DAFTAR PUSTAKA 57

LAMPIRAN 60

(13)

DAFTAR GAMBAR

1 Bagian-bagian PLTS . . . 2

2 N Stage Charge pump . . . 6

3 Prinsip kerja CP 2 tahap: (a) setengah periode pertama; (b) setengah periode kedua. . . 7

4 Dickson charge pump: (a) Konfigurasi dioda; (b) Konfigurasi MOSFET. . . 8

5 Arduino Mega tampak atas . . . 9

6 Konfigurasi Pin Arduino Mega . . . 10

7 grafik kerapatan energi dan kerapatan daya baterai . . . 11

8 Diagram blok kendali . . . 12

9 Metode Zigler-Nichols : (a)Sistem Close loop dengan kendali proportional; (b) Periode kritikal Pcr pada pulsa osilasi yang dinyatakan datam detik. . . 13

10 Kerangka konseptual . . . 16

11 Model simulasi CP: (a) Dioda; (b) Mosfet . . . 18

12 Model Rangkaian simulasi CP Dioda . . . 20

13 Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi tegangan masukan . 23 14 Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi frekuensi pulse . . . 24

15 Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi tahanan beban . . . 26

16 Model Rangkaian simulasi CP Mosfet . . . 27

17 Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi tegangan masukan 30 18 Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi frekuensi pulse . . . 31

19 Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi tahanan beban . . . 33

20 Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai Tegangan masukan . . . 34

21 Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai Frekuensi Pulse . . . 35

22 Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai tahanan beban . . . 36

23 Blok diagram sistem pengendali pengisian baterai . . . 37

24 Diagram Blok CP . . . 39

25 Skematik Rangkaian CP . . . 39

26 Rangkaian sistem kendali . . . 40

27 Rangkaian Display dan Tombol . . . 40

28 Rangkaian Sensor Arus . . . 41

(14)

xiii

29 Rangkaian Sensor Tegangan . . . 42

30 Flowchart sistem kendali . . . 43

31 Tampilan Interface . . . 43

32 Hasil Perancangan rangkaian CP . . . 44

33 Hasil Perancangan rangkaian kendali dan sensor . . . 44

34 Hasil Perancangan rangkaian display dan tombol . . . 45

35 Hasil Perancangan perangkat keras secara keseluruhan . . . 45

36 Diagram pengukuran tanpa sistem kendali: (a) Tegangan masukan berubah; (b) Frekuensi Pulse Berubah; (c) Tahanan beban berubah . . . 46

37 Grafik perubahan tegangan masukan terhadap penguatan tegangan pada beberapa nilai tahanan beban . . . 49

38 Grafik perubahan perubahan frekuensi pulse terhadap penguatan tegangan . . . 51

39 Diagram pengukuran dengan sistem kendali . . . 52

40 Tampilan pengujian interface pada level 5 V ke 10 V . . . 53

41 Tampilan hasil pengujian interface pada level 9 V ke 6 V . . . 54

42 Tampilan hasil pengujian interface pada level 6V . . . 54

(15)

DAFTAR TABEL

1 Spesifikasi Arduino Mega . . . 9

2 Tabel Ziegler-Nichols berdasarkan Kcr dan Pcr . . . 12

3 State of Art . . . 14

3 State of Art . . . 15

4 Nilai tegangan CP Dioda gambar 13 . . . 23

7 Nilai tegangan CP Mosfet gambar 17 . . . 30

10 Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 4.7 kΩ dan Frekuensi pulse 1 kHz. . . 47

11 Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 100 Ω dan Frekuensi pulse 1 kHz. . . 47

12 Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 1 kΩ dan Frekuensi pulse 1 kHz. . . 48

13 Hasil pengujian frekuensi pulse berubah. . . 50

14 Hasil pengujian rangkaian dengan sistem kendali . . . 53

(16)

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Permintaan energi dunia terus meningkat sepanjang sejarah peradab- an umat manusia. Proyeksi permintaan energi pada tahun 2050 hampir mencapai tiga kali lipat. Tampaknya masalah energi akan tetap menjadi topik yang harus dicarikan solusinya secara bersama-sama. Pemanfaat- an energi telah berkembang dan meningkat sesuai dengan perkembangan manusia itu sendiri. Usaha untuk mendapatkan energi alternatif telah lama dilakukan untuk mengurangi ketergantungan terhadap sumber daya minyak bumi. Pemanfaatan minyak bumi diperkirakan akan habis dalam waktu yang tidak lama jika pola pemakaian seperti sekarang ini yang justru semakin meningkat dengan meningkatnya industri maupun transportasi. [1]

Permintaan listrik di Indonesia tumbuh dari 90 terawatt-hours (TWh) di tahun 2003 menjadi 190 TWh di tahun 2013. Namun, jumlah pasokan tidak dapat mengejar laju permintaan yang mengakibatkan terjadinya pema- daman. Solusi saat ini masih bergantung pada bahan bakar minyak dimana kurang lebih 13 persen dari listrik Indonesia masih dihasilkan dari bahan bakar minyak. Biaya untuk menghasilkan listrik dari bahan bakar minyak tidak murah, yaitu dikisaran harga 0,18 sen/kWh dibandingkan dengan 0,05 se- n/kWh jika menggunakan batu bara. Hanya 1 GW dari potensi geothermal Indonesia yang dikembangkan. Kekurangan sumber daya listrik yang han- dal dan murah menjadi penghambat bagi pertumbuhan industri dan pemba- ngunan sektor manufaktur di Indonesia untuk terus tumbuh mencapai skala yang sama dengan negara-negara tetangganya. [2]

Krisis energi yang terjadi dapat diatasi dengan memanfaatkan potensi

(17)

energi lain yang terbarukan, misalnya energi surya. Pemanfaatan pembangkit listrik tenaga surya di Indonesia memiliki potensi yang sangat besar, di- dukung dengan letak geografis dan iklim yang ada. Indonesia yang berada dalam wilayah khatulistiwa rata-rata setiap harinya mendapatkan intensitas penyinaran selama 10 sampai 12 jam. [3]

Gambar 1: Bagian-bagian PLTS

Terlihat pada gambar 1 bagian-bagian pada PLTS diantaranya panel surya, MPPT, kontrol charger, baterai, DC-DC converter, inverter, dan beban AC. Energi surya dikonversi menjadi energi listrik melalui panel surya atau fotovoltaik. Energi listrik yang dihasilkan kemudian disalurkan ke beban dan sebagian disimpan dalam sebuah baterai. Baterai merupakan komponen penting pada pembangkit listrik tenaga surya, yang berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh panel surya. Sehingga listrik tetap dapat digunakan pada malam hari.

B. Rumusan Masalah

Salah satu permasalahan yang sering terjadi pada PLTS yaitu kerusakan baterai. Keadaan over charging, under voltage dan temperatur baterai yang terlalu panas sering menjadi pemicu kerusakan pada baterai. Oleh karena itu dibutuhkan sebuahSistem Pengendali Pengisian Baterai pada PLTS sebagai topik penelitian tesis, sehingga kondisi baterai dapat diketa- hui secara real time. Dengan sistem kontrol ini, usia penggunaan baterai

(18)

3

dapat diperpanjang.

C. Tujuan Penelitian

Penelitian ini diharapkan mampu memberikan manfaat sebagai berikut:

1. Menjadi solusi dalam pengembangan alat-alat untuk energi terbarukan khususnya pada pengembangan panel surya

2. Menjadi solusi dalam mengatasi masalah kerusakan baterai, sehingga dapat memperpanjang usia baterai

D. Batasan Masalah

Ada beberapa batasan yang digunakan dalam penelitian ini, diantaranya:

1. DC/DC Konverter yang digunakan adalah jenis charge pump

2. Tegangan masukan didapatkan dari panel surya dengan spesifikasi 100WP 24V

3. Spesifikasi baterai yang digunakan sebesar 12V

4. Simulasi yang dilakukan hanya untuk mengamati karakteristik keluaran charge pump, tanpa menghubungkan ke Panel surya ataupun battery

5. Penelitian ini tidak menggunakan modul MPPT

(19)

E. Sistematika Penulisan

Penulisan tesis ini disusun secara sistematis yang terdiri atas 5 bab yang saling berhubungan. Uraian singkat dari bab-bab tersebut adalah sebagai berikut:

BAB I. PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.

BAB II. TINJAUAN PUSTAKA

Bab ini berisi tentang gambaran umum dari baterai, converter DC-DC jenis charge pump, penelitian-penelitian terkait, dan kerangka konseptual.

BAB III. SIMULASI DAN PEMODELAN SISTEM CHARGE PUMP

Bab ini berisi tentang simulasi dan pemodelan charge pump menggunakan dioda dan mosfet

BAB IV. PERANCANGAN SISTEM

Bab ini berisi tentang perancangan perangkat keras dan perangkat lunak sistem kendali.

BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini berisi tentang deskripsi hasil penelitian dan pembahasan yang merupakan bagian penting dari penelitian yang dilakukan.

BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini merupakan bab terakhir dari penelitian yang berisi tentang kesimpulan dari hasil pengujian dan saran untuk penelitian selanjutnya.

(20)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

A. DC ke DC Converter (Charge Pump)

DC ke DC konverter merupakan rangkaian elektronika yang dapat menaikkan atau menurunkan nilai tegangan DC yang diberikan ke masukan.

Jenis konverter yang dapat digunakan untuk menaikkan tegangan dc tanpa menggunakan amplifier dan transformator adalah charge pump (CP) atau pompa muatan. CP menggunakan kapasitor sebagai elemen penyimpan energi untuk membuat sumber daya tegangan menjadi tinggi atau rendah.

CP digunakan dalam banyak aplikasi seperti Power IC, CMOS[4], time fil- ters, dan EEPROM, karena tegangan yang lebih tinggi dari catu daya sering dibutuhkan. Tingkat tegangan yang meningkat diperoleh pada pompa muatan sebagai akibat dari proses transfer muatan ke beban kapasitif dan tidak melibatkan amplifier atau transformer.

Beberapa jenis rangkaian CP yang biasa digunakan antara lain : 1. Dickson Charge Pump[4],

2. Bootstrap Charge Pump[5], 3. Double Charge Pumps[6],

4. Series-Parallel Charge Pumps[7],

5. Charge Pumps with Adaptive Stages[8].

Secara umum, rangkaian CP diperlihatkan pada gambar 2 yang merupakan N Stage CP (N tahap pompa muatan). Setiap tahap terdiri dari satu saklar (S) dan kapasitor (C). Pada akhir tahap terdapat saklar luaran (SOU T) kapasitor beban (CL) dan arus beban (IL). VINmerupakan tegangan

(21)

Gambar 2: N Stage Charge pump

masukan dan Clk adalah isyarat gelombang kotak yang dibangkitkan oleh rangkaian kontrol. Nilai Clk harus sebanding dengan nilai VIN.

Gambar 3 memperlihatkan cara sebuah CP bekerja. Pada setengah periode pertama (0keT /2) nilai Clk = 0V , S1 dan SOU T terhubung, S2 terputus sehingga C1 akan mengisi hingga VIN. Sementara itu titik OUT ∆QOU T

akan melakukan pengosongan ke CLsebesar (VIN+ V_C1-ILT /2) karena pada beban ILakan mengalirkan muatan sebesar ILT /2.

Pada setengah periode kedua (T /2keT ) nilai Clk = V_IN, S2 terhubung, S1 dan SOU T terputus sehingga C2 akan mengisi hingga ∆Q1 (VIN + V_C1). Sementara itu titik OUT akan melakukan pengosongan ke beban I_L. Siklus tersebut akan terulang secara terus menerus hingga tegangan luaran mencapai nilai [9]:

VOU T |SteadyState = 2V_IN − I_LT

C (II.1)

Siklus yang berulang ulang akan mengakibatkan riak pada tegangan luaran (Vr). Jika disaumsikan bahwa kapasitor beban lebih besar dari kapasitor pompa, maka :

V_r = I_LT

C_L (II.2)

Rangkaian CP yang digunakan dalam penelitian yaitu CP 2 tahap dengan Dioda. Gambar 4 menunjukkan skema rangkaian dengan mengganti

(22)

7

Gambar 3: Prinsip kerja CP 2 tahap: (a) setengah periode pertama; (b) setengah periode kedua.

saklar dengan konfigurasi dioda dan MOSFET. Keuntungan utama yang diberikan oleh dioda adalah tidak adanya sinyal kontrol saklar. Kelemahannya adalah pengurangan voltase keluaran CP karena ketika sebuah dioda dibi- as maju, hal itu menyebabkan kehilangan tegangan sama dengan voltase maju dioda.[9]

Vin merupakan terminal masukan untuk tegangan sumber. Clk merupakan terminal masukan gelombang kontak untuk pengaturan waktu peralihan yang terhubung ke rangkaian kontrol. Dalam penerapannya, sebuah pengaturan umpan balik (feedback control loop) ditambahkan dalam rangkaian untuk menjaga tegangan output lebih stabil dan tidak terpengaruh oleh parameter sistem ataupun karakteristik beban.

(23)

Gambar 4: Dickson charge pump: (a) Konfigurasi dioda; (b) Konfigurasi MOSFET.

B. Arduino Mega

Arduino Mega merupakan modul Arduino yang berbasis ATmega2560.

Modul ini memiliki 54 I/O yang terdiri dari 14 pin output PWM, 16 pin analog input dan 4 pin UART untuk komunikasi serial. Selain itu modul ini juga dilengkapi dengan kristal 16 MHz, sambungan USB, sambungan daya, header ICSP dan tombol reset.

Arduino Mega diprogram dengan menggunakan Arduino Software IDE (Integrated Development Environment ) tanpa bantuan perangkat tambahan karena bootloader telah disematkan didalamnya dan dapat langsung terhubung ke komputer melalui sambungan USB dengan protokol yang digunakan yaitu STK500. Selain itu Arduino Mega dapat di program melalui header ICSP (In-Cirsuit Serial Programming) menggunakan arduino ISP[10].

Modul Arduino telah banyak digunakan dalam berbagai proyek diantaranya dalam bidang robotika[11], prototipe kenyamanan berkendara[12], alat ukur [13], IoT(Internet of Things)[14], charging kontroler[15], dan berbagai proyek lainnya.Dikarena selain open source, desainnya juga praktis

(24)

9

Gambar 5: Arduino Mega tampak atas Tabel 1: Spesifikasi Arduino Mega

Mikrokontroller ATmega2560

Tegangan Operasi 5V

Tegangan Input (rekomendasi) 7-12V Tegangan Input (batas) 6-20V

Pin I/O digital 54

Pin Analog Input 16

Arus DC setiap Pin 40mA

Arus DC pada pin 3.3V 50mA

Memori Flash 256KB, dengan alokasi 4KB untuk Bootloader

SRAM 8KB

EEPROM 4KB

Clock 16MHz

LED Pin 13

Panjang 101.52mm

Lebar 53.3mm

Berat 37g

dan disertai banyak tutorial pendukung.

Tabel 1 menunjukkan spesifikasi dari Arduino Mega. Pada penelitian ini Arduino Mega digunakan sebagai kontrol yang terhubung dengan isyarat masukan pada CP, keluaran sensor arus, relay pengaman, tombol pengaturan dan LCD penampil.

(25)

Gambar 6: Konfigurasi Pin Arduino Mega

C. Baterai

PLTS membutuhkan media penyimpan energi yang memiliki kepadatan energi (energy density ) yang tinggi dan juga kepadatan daya (power density )yang cukup tinggi. Sebagai contoh, kita tidak dapat menggunakan kapasitor karena kepadatan energinya yang sangat buruk. Untuk penyimpanan jangka pendek hingga menengah, teknologi penyimpanan yang pa-

(26)

11

ling umum tentunya adalah baterai. Baterai memiliki kerapatan energi dan kerapatan daya yang tepat untuk memenuhi permintaan penyimpanan hari- an pada sistem PV berukuran kecil dan menengah.

Gambar 7: grafik kerapatan energi dan kerapatan daya baterai

Secara umum baterai merupakan komponen yang mampu mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Beberapa tipe baterai yang dipakai pada sistem PLTS yaitu[16] :

1. Lead-Acid Batteries, terdiri dari Flooded, (Liquid vented), dan sealed 2. Alkaline batteries, yang termasuk didalamnya yaitu Nickel-cadmium,

dan nicle iron.

Tipe baterai yang digunakan dalam penelitian ini yaitu Valve Regula- ted Lead-Acid Batteries.

D. Kendali PID

Tegangan luaran solar cell berubah ubah tergantung dari intensitas cahaya matahari. Perubahan ini harus di deteksi dan di respon oleh sistem sehingga luaran cenderung stabil. Metode yang digunakan pada sistem yaitu kendali PID [17][18].

(27)

Gambar 8: Diagram blok kendali

Parameter PID yang diberikan yaitu Kp, Kd dan Ki. Nilai error merupakan hasil pengurangan dari pembacaan tegangan luaran CP dengan nilai set point yang diberikan.

Kendali PID dinyatakan dalam persamaan :

u(t) = kpe(t) + 1 T_i

Z

e(t)dt + Td

de(t)

dt ] (II.3)

Penentuan nilai parameter dilakukan dengan metode expetimen Ziegler- Nichols [19]. Metode ini dilakukan dengan cara perobaan. Kendali P diberikan pada sistem close loop, kemudian nilai Kp ditambahkan sampai sistem berosilasi terus menerus dengan teratur. Nilai Kp saat osilasi tersebut dina- makan penguatan kritis (K_cr), dan periodenya disebut periode kritis (P_cr) (gambar 9). Setelah itu nilai Kp, Ti, dan Td di tentukan berdaarkan Tabel 2.

Tabel 2: Tabel Ziegler-Nichols berdasarkan Kcr dan Pcr

Tipe Kendali Kp Ti Td

P 0.5K_cr ∞ 0

PI 0.45K_cr 1/1.2P_cr 0

PID 0.6K_cr 0.5P_cr 0.125P_cr

(28)

13

Gambar 9: Metode Zigler-Nichols : (a)Sistem Close loop dengan kendali proportional; (b) Periode kritikal Pcr pada pulsa osilasi yang dinyatakan datam detik.

E. State of The Art Penelitian

Penelitian ini merupakan pengembangan dari beberapa penelitian yang telah dilakukan sebelumnya, sehingga diharapkan dapat memberikan hasil yang lebih optimal untuk menyempurnakan penelitian sebelumnya.

(29)

Tabel 3: State of Art

Nama Judul Tahun Jenis CP Metode Ulasan

Jan Doutre- loigne

Charge pump dikson terintegrasi penuh dengna efisiensi daya optimal

2010 Dickson Charge recycling dan pulse driven active diodes

Penggunaan kedua metode ini menghasilkan hampir dua kali lipat efisiensi daya dibandingkan konfigurasi dikson charge pump tradisional dan ini di atas rentang arus keluaran yang berguna.

Florin Biziitu Mekanisme optimalisasi pengaturan cpump dickson untuk kinerja EMC

2015 Dickson Shunt voltage re- gulator

menggunakan inti cpump dengan kontrol adaptif dari tegangan suplai untuk mening- katkan efisiensi daya.

Amritpal Singh, dkk

Respon transi- ent dan perbandingan disipasi daya dinamis berbagai konfigurasi charge pump dikson berdasarkan charge trasnfer switches

2015 Dickson Dikson charge pump berbasis dioda, charge pump dinamic CTS, charge pump static CTS, charge pump static CTS dengan Voltage Controller, charge pump static CTS dengan Voltage Controller dan cross cou- pled, charge pump single clock

Berdasarkan hasil analisa, charge pump dikson tidak memberikan output sesuai yang diinginkan karena memiliki ambang batas jatuh tegangan. Jadi untuk mengatasi hal ini, dioda diganti dengan MOSFET

Massimiliano Zucchelli, dkk

Charge pump dikson menggunakan induktor terintegrasi dalam teknologi metal-oxide semiconduktor komplementer

2016 Dickson Analisa matematis dan simulasi komp- rehensif

Hasil pengujian charge pump dikson yang diusulkan menunjukkan hasil yang lebih baik dalam hal kecepatan, overshoot arus, efisiensi energy dan gangguan elektromagnetik

(30)

15

Tabel 3: State of Art

Nama Judul Tahun Jenis CP Metode Ulasan

W. Makni, dkk

Simulasi desain dan realisasi pengendali pengisian baterai panel surya menggunakan arduino uno

2016 Buck Algoritma sederha- na

Arduino digunakan untuk menjaga baterai dari kondisi over-charging dan deep-discharge

Bhanu Pra- shant B.

Konverter dc-dc penguat tegangan tinggi berdasarkan modifikasi pengali tegangan cpump dickson

2016 Dickson Modifikasi cpump Konverter yang diusulkan menyerupai dua-phasa interle- aved boost converter di sisi input sementara memiliki pengali tegangan berbasis cpump dickson di sisi output

Abdulqader Mahmoud, dkk

Multi-input, multi-output unit penge- lolaan daya menggunakan cpump dickson untuk aplikasi harvesting energi

2016 Dickson Modulasi frekuensi Cpump dikson 4 stage didesain dan disimulasi menggunakan CMOS 65nm

(31)

F. Kerangka Konseptual

Kerangka konseptual penelitian ini ditunjukkan dalam blok diagram berikut:

Gambar 10: Kerangka konseptual

(32)

BAB III

SIMULASI DAN PEMODELAN SISTEM CHARGE PUMP

Pada Bab ini akan dijelaskan metode simulasi charge pump, yang dimulai dengan simulasi karakteristik CP dengan memberikan masukan tegangan dan beban yang berubah. Simulasi ini dilakukan untuk mengetahui tegangan keluaran maksimum yang dapat dicapai dan frekuensi kerja dari sebuah CP dengan konfisurasi dikson CP menggunakan dioda dan Mosfet.

Simulasi awal ini tanpa disertai pemberian kontrol adaptif pada rangkaian.

Simulasi yang dilakukan menggunakan software PSpice.

A. Metode Simulasi

Langkah awal yang dilakukan yaitu merancang model rangkaian yang akan disimulasikan. Model yang pertama terlihat pada gambar 11(a) untuk rangkaian CP menggunakan Dioda, sedangkan pada gambar 11(b) untuk rangkaian CP menggunakan MOSFET.

Perbedaan gambar 11 (a) dan (b) terletak pada penggunaan dioda dan Mosfet pada komponen pensaklaran. Blok MPPT menjadi masukan dari rangkaian CP dengan V dan I sebagai titik pengukuran yang mewakili tegangan dan arus input. Besarnya masukan yang diberikan yaitu 6-48V.

Blok Square wave 1 adalah sumber gelombang kotak untuk kapasitor stage 1 dan 3, sedangkan blok square wave 2 sebagai sumber gelombang kotak untuk kapasitor stage 2 dan 4. Simbol f merupakan frekuensi yang diberikan pada sumber gelombang kotak square wave 1 dan 2. Bentuk gelombang square wave 2 merupakan kebalikan dari gelombang square wave 1. Frekuensi yang diberikan yaitu 1Hz hingga 100kHz.

Pada titik keluaran dipasang beban yang bernilai antara 5 Ω,10 Ω, dan

(33)

Gambar 11: Model simulasi CP: (a) Dioda; (b) Mosfet

100 Ω. Untuk pengukuran Arus beban digunakan A1 dan untuk pengukuran tegangan keluaran digunakan V1.

Simulasi ini bertujuan untuk mendapatkan karakteristik dari CP terhadap perubahan tegangan input, frekuensi gelombang kotak, dan perubahan tahanan output. Hasil yang didapatkan akan menjadi rujukan dalam perancangan perangkat keras CP.

B. Software Simulasi PSpice

PSpice adalah singkatan dari Personal Simulation Program with Inte- grated Circuit Emphasis yang merupakan perangkat lunak simulasi untuk proses perancangan rangkaian elektronika analog dan logika digital yang pada awalnya dibuat oleh perusahaan MicroSim tahun 1984. PSpice versi pertama yang dipakai di UC Berkeley pada tahun 1984 dan seterusnya pada komputer IBM. Tahun 1985, ditambahkan perangkat utama yang di- namakan Probe PSpice yang merupakan modul untuk menampilkan ben-

(34)

19

tuk gelombang pada komputer yang telah dilengkapi kartu grafis. Probe ini memungkinkan pengguna untuk melihat hasil simulasi secara interaktif dan berkualitas tinggi. Selain itu, banyak perangkat tambahan penting lainnya ditambahkan ke PSpice termasuk model nonlinear, switch ideal dan model IGBT proprietary. Tahun 1988 versi Student dari teknologi PSpice atau versi siswa tanpa biaya (dengan node terbatas) dirilis dan diperkenalkan. Sejak saat itu, teknologi PSpice menjadi ada di mana-mana baik di kalangan aka- demisi teknik maupun industri listrik. Pada bulan Januari 1998 MicroSim perusahaan ini diakusisi oleh perusahaan OrCAD, yang selanjutnya dibeli oleh perusahaan Cadence Design Systems pada bulan Juli 1999 [20].

PSpice memungkinkan simulasi rangkaian elektronika melalui komputer sehingga dapat ditampilkan bentuk gelombang dari tegangan atau arus pada rangkaian, menghitung tegangan dan arus versus waktu (Analisa Transien) atau versus frekuensi (Analisa AC). PSPice juga bisa digunakan untuk analisa DC, sensitivitas, derau maupun distorsi [21].

Rangkaian yang akan disimulasikan dapat dibuat dalam bentuk skematik (PSpice Capture) maupun dengan text editor berupa netlist (PSpice A/D Lite). Rangkaian simulasi pada penelitian ini menggunakan text editor, netlist merupakan node atau titik penghubung antar komponen. Langkah untuk memulai simulasi PSpice yaitu :

1. Rangkaian terlebih dahulu digambar dengan simbol dan diberikan nomor pada setiap titik sambungan atau node sertaa memberi label pada komponen sesuai standar PSpice;

2. Membuat perintah pada text editor yang berupa kode komponen dan titik sambungan serta parameter yang digunakan;

3. Menentukan titik pegukuran dan analisis yang akan dilakukan;

4. Menjalankan simulasi.

(35)

C. Pemodelan Simulasi CP dengan Dioda

Pemodelan simulasi CP dengan dioda terdiri dari tiga skenario yaitu simulasi CP terhadap tegangan input bervariasi dengan tahanan beban dan frekuensi tetap, simulasi CP terhadap frekuensi yang bervariasi dengan tegangan input dan tahanan beban yang tetap, dan simulasi CP terhadap tahanan beban bervariasi dengan tegangan input dan frekuensi yang tetap.

Model rangkaian CP yang disimulasikan dierlihatkan pada gambar 12.

Gambar 12: Model Rangkaian simulasi CP Dioda

VS merupakan masukan berupa tegangan DC dengan kode PSpice : .PARAM VMppt=12

VS 1 0 DC {VMppt}

VPulse1 dan VPulse2 adalah sumber gelombang kotak. Bentuk gelombang VPulse2 adalah kebalikan dari VPulse1 dengan kode PSpice :

.PARAM Freq = 1KHz .PARAM T = {1/Freq}

.PARAM D = 0.5

.PARAM _HIGH = {VMppt}

.PARAM _LOW = 0V .PARAM Td = 0us

(36)

21

.PARAM Tr = 1us .PARAM Tf = 1us

VPulse1 2 0 PULSE ({_LOW} {_HIGH} {Td} {Tr} {Tf}

+{T*0.5} {T})

VPulse2 3 0 PULSE ({_LOW} {_HIGH} {Td+T/2} {Tr} {Tf}

+{T*0.5} {T})

Nilai pada model PULSE diberikan berdasarkan parameter sebagai berikut :

PULSE (V1 V2 TD TR TF PW PER)

Dimana V1 adalah tegangan ”LOW” (V), V2 adalah tegangan ”HIGH” (V), TD adalah waktu tunda (s), TR adalah waktu peralihan dari kondisi ”H” ke

”L” (s), TF adalah waktu peralihan dari kondisi ”L” ke ”H” (s), PW adalah lebar pulsa ”H” (s), dan PER adalah periode pulsa (s).

D1, D2, D3, D4, dan D5 adalah Dioda penyearah tipe 1N5408 dengan kode PSpice :

D1 1 4 1N5408 D2 4 5 1N5408 D3 5 6 1N5408

.MODEL 1N5408 D(IS=7.08E-14 BV=1000V CJO=30p TT=0)

Parameter model diberikan berdasarkan datasheets IN5408 [22]. D merupakan model Dioda pada PSPice dengan parameter IS adalah arus satu- rasi, BV adalah tegangan breakdown, CJO adalah kapasitansi sambungan, TT adalah time transit.

C1, C2, C3, C4 adalah kapasitor stage 1 dan 2 pada CP dengan nilai 10 uF. C5 adalah kapasitor output CP dengan nilai 220 uF. Kode PSpicenya sebagai berikut :

(37)

.PARAM Cstage=10U .PARAM Cout=1000U

C1 4 2 {Cstage} IC=0V TC=0,0 C2 5 3 {Cstage} IC=0V TC=0,0 CL 8 0 {Cout} IC=0V TC=0,0

RLoad adalah resistor beban dengan kode PSpice : .PARAM R=10

RL 8 0 {R} TC=0,0

Analisis transien dan titik pengukuran pada rangkaian dilakukan dengan perintah :

.PROBE V (1,0) V(8,0) .TRAN 0.1NS 20MS 0MS UIC

C.1. CP Dioda terhadap variasi Tegangan Input

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Dioda terhadap perubahan tegangan masukan. Parameter tegangan masukan akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan frekuensi PULSE.

Tegangan masukan maksimum yang diberikan sesuai dengan spesifikasi solar cell yaitu sebesar 36 V. Tegangan minimum yang diberikan yaitu 6 V.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice : .PARAM VMppt = 12

.PARAM Freq = 100KHz .PARAM R=10

.STEP PARAM VMppt List 6 12 24 36

(38)

23

Gambar 13: Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi tegangan masukan Hasil simulasi tampak pada gambar 13 dengan hasil pengukuran pada Tabel 4. Tegangan keluaran di ambil saat time 10 ms.

Tabel 4: Nilai tegangan CP Dioda gambar 13

Tegangan Masukan Tegangan Luaran Penguatan Tegangan

6 V 13.213 V 2.20 ×

12 V 28.201 V 2.35 ×

24 V 58.176 V 2.42 ×

36 V 88.152 V 2.44 ×

Berdasarkan gambar 13 dan Tabel 4, hubungan antara tegangan luaran dan masukan CP saat tegangan masukan berubah yaitu nilai tegangan luaran berbanding lurus dengan tegangan masukan. Semakin besar nilai masukan, maka nilai luaran akan semakin besar. Penguatan tengangan yang terjadi yaitu sekitar 2.20 × hingga 2.44 ×

C.2. CP Dioda terhadap variasi Frekuensi Pulse

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Dioda terhadap perubahan frekuensi pulse dan mengamati frekuensi maksimum dan mini- mim yang dapat diberikan pada CP. Parameter frekuensi pulse akan diatur

(39)

bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan tegangan masukan. Frekuensi pulse yang diberikan yaitu sebesar 1 Hz hingga 260 kHz.

Tegangan masukan yang diberikan yaitu 12 V dengan resistor beban 10 Ω.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice : .PARAM Freq = 1

.PARAM VMppt = 12 .PARAM R=10

.STEP PARAM Freq List 1 1k 10k 100k 250k 255k 260k

Gambar 14: Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi frekuensi pulse

Hasil simulasi tampak pada gambar 14 dengan hasil pengukuran pada Tabel 5. Tegangan keluaran di ambil saat time 10 ms.

Berdasarkan gambar 14 dan Tabel 5, penguatan tegangan akan naik pada frekuensi 10kHz dengan nilai penguatan sebesar 1.18×. Nilai maksimum penguatan yang dapat dicapai yaitu 2.59 × pada frekuensi 250 kHz, frekuensi yang lebih dari 250 kHz akan mengakibatkan penguatan turun.

Sehingga frekuensi yang dapat diberikan pada pulse CP yaitu antara 10 kHz hingga 250 kHz. Hubungan antara frekuensi pulse dan penguatan tegang-

(40)

25

Tabel 5: Nilai tegangan CP Dioda gambar 14

Frekuensi Pulse Tegangan Luaran Penguatan Tegangan

1 Hz 9.653 V 0.80 ×

1 kHz 9.755 V 0.81 ×

10 kHz 14.192 V 1.18 ×

25 kHz 19.495 V 1.62 ×

50 kHz 23.964 V 1.99 ×

75 kHz 26.644 V 2.22 ×

100 kHz 28.201 V 2.35 ×

250 kHz 31.026 V 2.59 ×

255 kHz 30.670 V 2.56 ×

260 kHz 30.776 V 3.56 ×

an yaitu semakin besar frekuensi pulse, maka penguatan tegangan akan semakin besar. Semakin kecil frekuensi pulse, maka penguatan tegangan akan semakin kecil.

C.3. CP Dioda terhadap variasi Tahanan Beban

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Dioda terhadap perubahan frekuensi pulse dan mengamati frekuensi maksimum dan mini- mim yang dapat diberikan pada CP. Parameter frekuensi pulse akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan tegangan masukan. Frekuensi pulse yang diberikan yaitu sebesar 1 Hz hingga 260 kHz.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice : .PARAM Freq = 100k

.STEP PARAM R List 1 10 50 100 1k 5k 10k 20k

Berdasarkan gambar 15 dan Tabel 6, nilai maksimum penguatan yang

(41)

Gambar 15: Hasil Simulasi CP Dioda dengan variasi tahanan beban Tabel 6: Nilai tegangan CP Dioda gambar 15

Tahanan Tegangan Luaran Penguatan Tegangan

1 Ω 14.328 V 1.194 ×

10 Ω 28.190 V 2.349 ×

50 Ω 32.462 V 2.705 ×

100 Ω 33.085 V 2.757 ×

1k Ω 33.666 V 2.806 ×

5k Ω 33.718 V 2.810 ×

10k Ω 33.725 V 2.810 ×

20k Ω 33.728 V 2.810 ×

dapat dicapai yaitu 2.810 × pada tahanan beban 5 kΩ. Penguatan tegangan akan turun mencapai nilai 1.194× saat tahanan beban 1 Ω. Sehingga hubungan antara tahanan beban dan penguatan tegangan yaitu semakin besar tahanan beban, maka penguatan tegangan akan semakin besar. Se- makin kecil tahanan beban, maka penguatan tegangan akan semakin kecil.

(42)

27

D. Pemodelan Simulasi CP dengan Mosfet

Pemodelan simulasi CP dengan Mosfet terdiri dari tiga skenario yaitu simulasi CP terhadap tegangan input bervariasi dengan tahanan beban dan frekuensi tetap, simulasi CP terhadap frekuensi yang bervariasi dengan tegangan input dan tahanan beban yang tetap, dan simulasi CP terhadap tahanan beban bervariasi dengan tegangan input dan frekuensi yang tetap.

Model rangkaian CP yang disimulasikan diperlihatkan pada gambar 16.

Gambar 16: Model Rangkaian simulasi CP Mosfet

VS merupakan masukan berupa tegangan DC dengan kode PSpice : .PARAM VMppt=12

VS 1 0 DC {VMppt}

VPulse1 dan VPulse2 adalah sumber gelombang kotak. Bentuk gelombang VPulse2 adalah kebalikan dari VPulse1 dengan kode PSpice :

.PARAM Freq = 1KHz .PARAM T = {1/Freq}

.PARAM D = 0.5

.PARAM _HIGH = {VMppt}

(43)

.PARAM _LOW = 0V .PARAM Td = 0us .PARAM Tr = 1us .PARAM Tf = 1us

VPulse1 2 0 PULSE ({_LOW} {_HIGH} {Td} {Tr} {Tf}

+{T*0.5} {T})

VPulse2 3 0 PULSE ({_LOW} {_HIGH} {Td+T/2} {Tr} {Tf}

+{T*0.5} {T})

M1, M2, dan M3 adalah Dioda penyearah tipe IRF150 dengan kode PSpice :

M1 4 4 1 1 IRF150 M2 5 5 4 4 IRF150 M3 6 6 5 5 IRF150

.MODEL IRF150 NMOS (VTO=2.83 KP=31.2U L=1U +W=30M CGDO=0.418N CGSO=2.032N)

Parameter model diberikan berdasarkan datasheets IN5408 [22]. D merupakan model Dioda pada PSPice dengan parameter IS adalah arus satu- rasi, BV adalah tegangan breakdown, CJO adalah kapasitansi sambungan, TT adalah time transit.

C1, C2, dan CL adalah kapasitor stage 1 dan 2 pada CP dengan nilai 10uF. CL adalah kapasitor output CP dengan nilai 220 uF. Kode PSpicenya sebagai berikut :

.PARAM Cstage=10U .PARAM Cout=1000U

C1 4 2 {Cstage} IC=0V TC=0,0 C2 5 3 {Cstage} IC=0V TC=0,0 CL 8 0 {Cout} IC=0V TC=0,0

(44)

29

RL adalah resistor beban dengan kode PSpice : .PARAM R=10

RL 8 0 {R} TC=0,0

Analisis transien dan titik pengukuran pada rangkaian dilakukan dengan perintah :

.PROBE V (1,0) V(8,0) .TRAN 0.1NS 20MS 0MS UIC

D.1. CP Mosfet terhadap variasi Tegangan Input

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Mosfet terhadap perubahan tegangan masukan. Parameter tegangan masukan akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan frekuensi PULSE.

Tegangan masukan maksimum yang diberikan sesuai dengan spesifikasi solar cell yaitu sebesar 36 V. Tegangan minimum yang diberikan yaitu 6 V.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice : .PARAM VMppt = 12

.PARAM Freq = 100KHz .PARAM R=10

.STEP PARAM VMppt List 6 12 24 36

Hasil simulasi tampak pada gambar 17 dengan hasil pengukuran pada Tabel 7. Tegangan keluaran di ambil saat time 10ms.

Berdasarkan gambar 17 dan Tabel 7, hubungan antara tegangan luaran dan masukan CP saat tegangan masukan berubah yaitu nilai tegangan luaran berbanding lurus dengan tegangan masukan. Semakin besar nilai masukan, maka nilai luaran akan semakin besar. Penguatan tengangan yang terjadi yaitu sekitar 2.01 × hingga 1.88 ×

(45)

Gambar 17: Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi tegangan masukan Tabel 7: Nilai tegangan CP Mosfet gambar 17

6 V 12.082 V 2.01 ×

12 V 22.619 V 1.88 ×

24 V 39.555 V 1.65 ×

36 V 54.950 V 1.53 ×

D.2. CP Mosfet terhadap variasi Frekuensi Pulse

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Mosfet terhadap perubahan frekuensi pulse dan mengamati frekuensi maksimum dan mini- mim yang dapat diberikan pada CP. Parameter frekuensi pulse akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan tegangan masukan. Frekuensi pulse yang diberikan yaitu sebesar 1Hz hingga 260 kHz.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice : .PARAM Freq = 1

(46)

31

.STEP PARAM Freq List 1 1k 10k 100k 250k 255k 260k

Gambar 18: Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi frekuensi pulse

Tabel 8: Nilai tegangan CP Mosfet gambar 18

1 Hz 9.503 V 0.79 ×

1 kHz 9.503 V 0.79 ×

10 kHz 13.963 V 1.16 ×

25 kHz 18.089 V 1.51 ×

50 kHz 20.739 V 1.73 ×

75 kHz 21.973 V 1.83 ×

100 kHz 22.647 V 1.89 ×

250 kHz 24.310 V 2.03 ×

255 kHz 24.107 V 2.01 ×

260 kHz 24.060 V 2.01 ×

Berdasarkan gambar 18 dan Tabel 8, penguatan tegangan akan naik pada frekuensi 10kHz dengan nilai penguatan sebesar 1.16 ×. Nilai maksimum penguatan yang dapat dicapai yaitu 2.03 × pada frekuensi 250 kHz,

(47)

frekuensi yang lebih dari 250kHz akan mengakibatkan penguatan turun.

Sehingga frekuensi yang dapat diberikan pada pulse CP yaitu antara 10kHz hingga 250 kHz. Hubungan antara frekuensi pulse dan penguatan tegangan yaitu semakin besar frekuensi pulse, maka penguatan tegangan akan semakin besar. Semakin kecil frekuensi pulse, maka penguatan tegangan akan semakin kecil.

D.3. CP Mosfet terhadap variasi Tahanan Beban

Simulasi ini bertujuan untuk melihat karakteristik CP Mosfet terhadap perubahan frekuensi pulse dan mengamati frekuensi maksimum dan mini- mim yang dapat diberikan pada CP. Parameter frekuensi pulse akan diatur bervariasi tanpa mengubah resistansi beban RLoad dan tegangan masukan. Frekuensi pulse yang diberikan yaitu sebesar 1 Hz hingga 260 kHz.

Berikut pengaturan dan penambahan perintah pada PSpice :

.PARAM Freq = 100k .PARAM VMppt = 12 .PARAM R=10

.STEP PARAM R List 1 10 50 100 1k 5k 10k 20k

Hasil simulasi tampak pada gambar 19 dengan hasil pengukuran pada Tabel 9. Tegangan keluaran di ambil saat time 10ms.

Berdasarkan gambar 19 dan Tabel 9, nilai maksimum penguatan yang dapat dicapai yaitu 2.041 × pada tahanan beban 5 kΩ. Penguatan tegangan akan turun mencapai nilai 1.142 × saat tahanan beban 1Ω. Sehingga hubungan antara tahanan beban dan penguatan tegangan yaitu semakin besar tahanan beban, maka penguatan tegangan akan semakin besar. Se- makin kecil tahanan beban, maka penguatan tegangan akan semakin kecil.

(48)

33

Gambar 19: Hasil Simulasi CP Mosfet dengan variasi tahanan beban Tabel 9: Nilai tegangan CP Mosfet gambar 19

Tahanan Tegangan Luaran Penguatan Tegangan

1 Ω 14.142 V 1.142 ×

10 Ω 22.647 V 1.887 ×

50 Ω 24.134 V 2.011 ×

100 Ω 24.320 V 2.026 ×

1k Ω 24.488 V 2.040 ×

5k Ω 24.503 V 2.041 ×

10k Ω 24.504 V 2.041 ×

20k Ω 24.506 V 2.041 ×

E. Perbandigan Hasil Simulasi CP Dioda dan CP Mosfet

Hasil karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet akan dibandingkan untuk menentukan kinerja terbaik. Perbandingkan akan disajikan dalam bentuk grafik menggunakan MATLAB. Nilai yang dibandingkan yaitu penguatan tegangan yang diperoleh terhadap masing-masing karakteristik.

E.1. Karakteristik CP terhadap variasi Tegangan Masukan

Gambar 20 memperlihatkan karakteristik penguatan tegangan terhadap tegangan masukan yang berubah antara CP Dioda dan Mosfet. CP

(49)

Dioda memiliki penguatan tegangan yang naik seiring dengan naiknya tegangan masukan, sedangkan penguatan tegangan pada CP Mosfet akan menurun seiring dengan bertambahnya tegangan masukan.

Gambar 20: Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai Tegangan masukan

E.2. Karakteristik CP terhadap variasi Frekuensi Pulse

Gambar 21 memperlihatkan karakteristik penguatan tegangan terhadap frekuensi pulse yang berubah antara CP Dioda dan Mosfet. CP Dioda dan CP Mosfet keduanya memiliki penguatan tegangan yang naik seiring dengan naiknya frekuensi pulse, tetapi nilai penguatan tegangan CP dioda lebih besar dibandingkan penguatan tegangan pada CP Mosfet pada frekuensi pulse yang sama. Rentang frekuensi pulse yang memberikan penguatan tegangan pada CP Dioda dan CP Mosfet relatif sama yaitu antara 10 kHz hingga 255 kHz.

(50)

35

Gambar 21: Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai Frekuensi Pulse

E.3. Karakteristik CP terhadap variasi Tahanan Beban

Gambar 22 memperlihatkan karakteristik penguatan tegangan terhadap nilai tahanan beban yang berubah antara CP Dioda dan Mosfet. CP Dioda dan CP Mosfet keduanya memiliki penguatan tegangan yang naik seiring dengan naiknya nilai tahanan beban, tetapi nilai penguatan tegangan CP dioda lebih besar dibandingkan penguatan tegangan pada CP Mosfet pada nilai tahanan yang sama.

(51)

Gambar 22: Grafik perbandingan karakteristik CP Dioda dan CP Mosfet terhadap perubahan nilai tahanan beban

(52)

BAB IV

PERANCANGAN SISTEM

Perancangan sistem pengisian baterai pada penelitian ini terdiri dari dua bagian yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak.

A. Perancangan Perangkat Keras

Bagian ini menjelaskan perancangan sistem secara menyeluruh. Gam- bar 23 memperlihatkan diagram blok sistem. Gambar skematik rangkaian dan layout dibuat dengan menggunakan software Electronics-CAD Altium Designer.

Gambar 23: Blok diagram sistem pengendali pengisian baterai

(53)

A.1. Rangkaian CP

Blok rangkaian CP diperlihatkan pada gambar 24. Fungsi dari masing- masing blok yaitu :

1. Photo coupler. Blok ini berfungsi untuk memisahkan jalur tegangan power dan kontrol. Terdiri dari komponen photo coupler sebagai pe- misah dan resistor sebagai pembatas arus dan pull up.

2. Relay driver. Blok ini berfungsi sebagai penggerak relay. Menggunak- an transistor sebagai saklar elektronik dan resistor pembatas arus.

Kerja dari relay tergantung dari sinyal yang di umpankan pada basis transistor.

3. Gate Driver. Blok ini merupakan penggerak Power Mosfet. Terdiri dari transistor dan resistor. Masukan sinyal didapat dari Photo coupler, luaran dari blok ini terhubung dengan gate Power mosfet.

4. Power Mosfet. Merupakan rangkaian daya yang berfungsi menguatk- an sinyal pulsa yang akan umpankan ke blok 2 stage charge pump.

5. 2 stage charge pump. Bagian ini merupakan rangkaian DC-DC konverter. Rangkaian ini menggunakan dioda sebagai komponen pensaklaran dan kapasitor yang berfungsi sebagai kapasitor transfer dan kapasitor beban.

Gambar 25 memperihatkan rangkaian CP secara lengkap Rangkaian ini akan terhubung dengan sistem kendali dan tegangan masukan melalui konektor P1 dan P2.

A.2. Rangkaian Kendali, Display

Rangkaian kendali yang digunakan yaitu mikrokontroler Arduino. Sam- bungan dari pin I/O sistem kendali diperlihatkan pada gambar 26. Sistem

(54)

39

Gambar 24: Diagram Blok CP

PULSE2

GNDA SOLAR

GNDA

GND GNDA GNDA

SOLAR'

Q4 IRFP460

Q5 IRFP460 Q2 IRFP460

Q7 BD139

Q3 BD139

GNDA SOLAR

SOLAR'

GND GNDA

PULSE1

GNDA SOLAR'

Q6 BD139 SOLAR

PULSE2 GND PULSE1

GNDA

SOLAR SOLAR'

SOLAR' 1 2

4 3 U2

TLP521-1

1 2

4 3 U3

TLP521-1 R6

102, 0805

R13 102, 0805

R5 472, 0805

R10 472, 0805 R11

472, 0805

R4 10K 1/4W

R8 10K 1/4W

R7 330R 1/4W

R9 330R 1/4W R12

100K 1/4W

D1 IN5408

D2 IN5408 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 P1

HEADER 3P

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P2

HEADER 3P L3

L4

C4 CPOL 1000u/16V C1

CPOL 1000u/16V R1

102, 0805

L1 SOLAR

GNDA

Q8 IRFP460

Q9 IRFP460

GNDA

D3 IN5408

D4 IN5408 C2 CPOL 1000u/16V RELAY

+5V

35 4 12

68 7

RLY1 RELAY DPDT

GND 1 2 4

3 U1

TLP521-1

R3 102, 0805 L2 Q1

MMBT3904 R2 472, 0805

GND +5V

RELAY

F2 Fuse 2 F1

Fuse 2 +5V

C3 CPOL 1000u/16V

GNDA J?

Gambar 25: Skematik Rangkaian CP

dilengkapi dengan komponen catu daya DC ke DC konverter berupa rangkaian terpadu (IC). Catu daya ini juga digunakan pada rangkaian display.

Rangkaian display menggunakan LCD 2 × 16 yang digunakan untuk menampilkan pembacaan tegangan dan arus dari sensor.

(55)

Gambar 26: Rangkaian sistem kendali

Gambar 27: Rangkaian Display dan Tombol

A.3. Rangkaian Sensor

Sensor yang digunakan pada perancangan ini adalah sensor arus dan tegangan. Gambar 28 memperlihatkan sensor tegangan yang digabung de-

(56)

41

ngan relay pengaman. Sensor arus menggunakan ACS712-5 dengan maksimum pengukuran arus sebesar 5A. Relay pengaman berfungsi untuk me- mutus dan menghubungkan jalur pengisian baterai dan jalur sumber utama yang terdiri tegangan yang berasal dari masukan CP dan dari luaran CP.

Gambar 28: Rangkaian Sensor Arus

Gambar 29 memperlihatkan sensor tegangan yang menggunakan Op- Amp dan resistor pembagi tegangan. Penelitian ini menggunakan sensor tegangan sebanyak 3 buah. Sensor yang pertama diletakkan pada masukan rangkaian CP atau luaran PV, yang kedua pada luaran CP, dan yang ketiga yaitu pada keluaran baterai.

(57)

Gambar 29: Rangkaian Sensor Tegangan

B. Perancangan Perangkat Lunak Sistem Kendali

Perancangan perangkat lunak bertujuan untuk menerapkan perintah pada sistem kendali. Perangkat lunak yang yang dibuat terdiri dari dua bagian, yaitu perangkat lunak pada sistem kendali itu sensiri dan perangkat lunak pada sistem interface.

Perancangan perangkat lunak pada sistem kendali menggunakan sof- tfware Arduino IDE. Gambar 30 diagram alir program dari sistem kendali.

Sistem inerface yang dibuat memungkinkan pengguna melihat grafik tegangan masukan, tegangan luaran, dan tegangan baterai secara realtime.

Perangkat lunak ini dibuat menggunakan Visual Studio 2015. Gambar 31 memperlihatkan tampilan dari sistem interface yang dibuat.

Pada interface terdapat sebuah kotak grafik yang dapat menampilkan tegangan PV/masukan, tegangan CP, dan tegangan baterai yang dapat di- pilih melalui checkbox pada bagian bawah tampilan. Tombol Connect dan Disconnect digunakan untuk menghubungkan interface dengan sistem kendali melalui komunikasi serial. Pada bagian kanan atas terdapat informasi tegangan PV, tegangan Cp dan tegangan baterai yang ditampilkan secara realtime sesuai dengan tampilan grafik.

(58)

43

Gambar 30: Flowchart sistem kendali

Gambar 31: Tampilan Interface

(59)

HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Hasil Perancangan Perangkat Keras

Berikut ditampilkan hasil dari perancangan perangkat keras yang terdiri dari hasil perancangan rangkaian CP, rangkaian kendali, rangkaian display dan tombol.

Gambar 32: Hasil Perancangan rangkaian CP

Gambar 33: Hasil Perancangan rangkaian kendali dan sensor

(60)

45

Gambar 34: Hasil Perancangan rangkaian display dan tombol

Gambar 35: Hasil Perancangan perangkat keras secara keseluruhan

B. Pengujian

Pengujian dilakukan untuk mengetahui kinerja dari sistem kendali yang dibuat. Pengujian yang dilakukan yaitu pengukuran karakteristik rangkaian CP tanpa sistem kendali dan pengujian rangkaian CP dengan sistem kendali.

B.1. Pengujian CP tanpa sistem kendali

Pengujian rangkaian CP tanpa sistem kendali terdiri dari pengujian karakteristik frekuensi masukan, tegangan masukan, dan tahanan beban.

(61)

Perangkat yang digunakan yaitu sebuah power supply dengan tegangan maksimum 30 V, Frekuensi Generator, Osiloskop, dan Multimeter. Diagram pengukuran diperlihatkan pada gambar 36.

Gambar 36: Diagram pengukuran tanpa sistem kendali: (a) Tegangan masukan berubah; (b) Frekuensi Pulse Berubah; (c) Tahanan beban berubah

Pengujian tegangan masukan berubah (gambar 36(a)) ditetapkan frekuensi pulse sebesar 1 kHz dengan tahanan beban 4.7 kΩ. Hasil pengujian diperlihatkan pada Tabel 10.

Dari hasil pengujian Tabel 10, dapat dilihat bahwa penguatan tegangan berada pada nilai 2.046 × hingga 2.72 × dengan nilai penguatan tegangan (AV) yang meninggat seiring dengan peningkatan nilai tegangan

(62)

47

Tabel 10: Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 4.7 kΩ dan Frekuensi pulse 1 kHz.

2.5 V 0.733 V 0.29 ×

5 V 10.23 V 2.05 ×

7.5 V 17.01 V 2.27 ×

10 V 23.77 V 2.38 ×

12.5 V 30.49 V 2.44 ×

15 V 37.80 V 2.52 ×

17.5 V 45.1 V 2.58 ×

20 V 52.6 V 2.63 ×

22.5 V 59.5 V 2.64 ×

25 V 67.3 V 2.69 ×

27.5 V 74.5 V 2.71 ×

30 V 81.6 V 2.72 ×

masukan (VIN).

Pengujian selanjutnya yaitu dengan mengganti nilai tahanan beban menjadi 1k Ω dan 100 Ω. Perubahan nilai tegangan masukan sama dengan pengujian sebelumnya. Hasil pengujian yang dilakukan diperlihatkan pada Tabel 12 dan Tabel 11.

Tabel 11: Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 100 Ω dan Frekuensi pulse 1 kHz.

2.5 V 0.4 V 0.16 ×

5 V 7.84 V 1.57 ×

7. 5V 14.13 V 1.88 ×

10 V 20.73 V 2.07 ×

12.5 V 27.36 V 2.19 ×

15 V 34.6 V 2.31 ×

17.5 V 41.5 V 2.37 ×

20 V 49.4 V 2.47 ×

22.5 V 59.8 V 2.66 ×

25 V 68.6 V 2.74 ×

27.5 V 77.3 V 2.81 ×

30 V 85.5 V 2.85 ×

Berdasarkan Tabel 12, nilai penguatan terbesar berada pada tegangan masukan 20 V dengan penguatan sebesar 2.12 ×. Pengujian ini mem-

(63)

perlihatkan hasil yang tidak linear antara tegangan masukan dan luaran.

Tegangan luaran mulai mendapatkan penguatan pada tegangan masukan 5 V.

Tabel 12: Hasil pengujian Tegangan masukan berubah dengan nilai tahanan 1 kΩ dan Frekuensi pulse 1 kHz.

2.5 V 0.2795 V 0.11 ×

5 V 5.07 V 1.01 ×

7.5 V 11.13 V 1.48 ×

10 V 17.41 V 1.74 ×

12.5 V 23.65 V 1.89 ×

15 V 30.30 V 2.02 ×

17.5 V 36.10 V 2.06 ×

20 V 42.3 V 2.12 ×

22.5 V 38.1V 1.69 ×

25 V 37.6 V 1.5 ×

27.5 V 37.8 V 1.38 ×

30 V 38 V 1.27 ×

Tabel 11 menunjukkan nilai penguatan terbesar berada pada tegangan masukan 30V dengan penguatan sebesar 2.12 ×. Pengujian ini memperlihatkan hasil yang linear antara tegangan masukan dan luaran. Tegang- an luaran mulai mendapatkan penguatan pada tegangan masukan 5 V.

(64)

49

Gambar 37: Grafik perubahan tegangan masukan terhadap penguatan tegangan pada beberapa nilai tahanan beban

Gambar 37 merupakan grafik perubahan tegangan masukan terhadap penguatan teagangan pada nilai tahanan beban yang berbeda. Data grafik didapatkan dari pengujian sebelumnya. Terlihat penguatan tegangan terkecil diperoleh pada nilai tahanan beban 100 Ω, dan terbesar pada nilai tahanan beban 4.7 kΩ. Nilai penguatan tegangan cenderung naik seiring bertambahnya nilai tegangan masukan, hanya pada beberapa nilai tegangan masukan yang besar mengakibatkan penguatan turun yang mengakibatkan grafik tidak linear seperti terlihat pada kurva RL=100 Ω.

Pengujian frekuensi pulse berubah ditetapkan tahanan beban pada nilai 1 kΩ, dan tegangan masukan sebesar 12 V. Hasilnya diperlihatkan pada Tabel 13.

Dengan melihat hasil pengujian pada Tabel 13, nilai penguatan te-

(65)

Tabel 13: Hasil pengujian frekuensi pulse berubah.

10 Hz 12.54 V 1.05 ×

100 Hz 23.9 V 1.99 ×

250 Hz 26.25 V 2.19 ×

500 Hz 26.11 V 2.18 ×

1000 Hz 26.4 V 2.2 ×

2000 Hz 25.73 V 2.14 ×

3000 Hz 24.8 V 2.07 ×

4000 Hz 23.13 V 1.93 ×

5000 Hz 21.55 V 1.8 ×

6000 Hz 20.02 V 1.67 ×

7000 Hz 18.54 V 1.55 ×

10000 Hz 12.14 V 1.01 ×

gangan terbesar didapatkan saat frekuensi pulse sebesar 1 kHz. Gambar 38 menunjukkan grafik perubahan frekuensi pulse terhadap penguatan tegangan.

(66)

51

Gambar 38: Grafik perubahan perubahan frekuensi pulse terhadap penguatan tegangan

B.2. Pengujian CP dengan sistem kendali

Pengujian ini merupakan pengujian perangkat keras. Rangkaian di- hubungkan dengan sebuah sumber tegangan (VIN) yang dapat diatur pada level 5 V hingga 20 V. Tegangan luaran diatur pada level 12.8 V. Tahanan beban (RLOAD) yang diberikan yaitu 220 Ω.

Diagram pengukuran dengan sistem kendali diperlihatkan pada gambar 39. Rangkaian kendali terhubung dengan rangkaian CP dan interface.

Tampilan grafik dari tegangan masukan, tegangan luaran dan tegangan baterai ditampilkan pada komputer.

Besaran yang diukur yaitu Tegangan luaran (VIN), arus masukan (IIN), arus rangkaian kontrol (ICT RL), arus rangkaian pensaklaran (ISW), dan arus luaran (IOU T). Nilai daya didapatkan dari perkalian nilai arus dan tegangan