PEMBUATAN UNINTERRUPTABLE POWER SUPPLY ( UPS ) 300 WATT SEDERHANA BERBASIS MIKROKONTROLLER ATMEGA328 SKRIPSI MUAL JULIANSEN RUMAHORBO

(1)

ATMEGA328

SKRIPSI

MUAL JULIANSEN RUMAHORBO 170821042

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2019

(2)

ATMEGA328

SKRIPSI

Diajukan Untuk Melengkapi Tugas dan Memenuhi Syarat Mencapai Gelar Sarjana Sains

MUAL JULIANSEN RUMAHORBO 170821042

DEPARTEMEN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN 2019

(3)

Judul : Pembuatan Uninterruptable Power Supply ( UPS ) 300 Watt Sederhana Berbasis Mikrokontroller ATMEGA328

Kategori : Skripsi

Nama : Mual Juliansen Rumohorbo NIM : 170821042

Program Studi : Sarjana (S1) Fisika Departemen : Fisika

Fakultas : MIPA- Universitas Sumatera Utara

Disetujui di Medan, Juli 2019

Disetujui Oleh

Pembimbing 1, Pembimbing 2,

Drs. Kurnia Brahmana, M.Si Drs. Herli Ginting, MS

NIP. 196009301986011001 NIP. 195505191986011001

Ketua Departemen Fisika FMIPA USU

Dr. Perdinan Sinuhaji, MS NIP. 195903101987031002

(4)

PEMBUATAN UNINTERRUPTABLE POWER SUPPLY ( UPS ) 300 WATT SEDERHANA BERBASIS MIKROKONTROLLER

ATMEGA328

SKRIPSI

Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.

Medan, Juli 2019

MUAL JULIANSEN RUMAHORBO 170821042

(5)

PENGHARGAAN

Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas berkat rahmat serta kasih-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “ Pembuatan Uninterruptable Power Supplu (UPS) 300 wat sederhana Berbasis Mikrokontroller ATMega328”.

Tujuan penulisan skripsi ini untuk memenuhi sebahagian syarat memperoleh gerlar Sarjana Sains (S.Si) bagi mahasiswa Program S-1 di program studi Fisika Universitas Sumatera Utara. Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh sebab itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun dari semua pihak demi kesempurnaan skripsi ini.

Terselesaikannya skripsi ini tidak terlepas dari bantuan banyak pihak, sehingga pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati dan penuh rasa hormat penulis menghaturkan terima kasih yang sebesar-besarnya bagi semua pihak yang telah memberikan bantuan moril maupun materil baik langsung maupun tidak langsung dalam penyusunan skripsi ini hingga selesai, terutama kepada yang saya hormati :

1. Yth.Bapak Dekan Dr. Kerista Sebayang, MS beserta jajarannya di lingkungan FMIPA USU

2. Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS, sebagai ketua Departemen Fisika FMIPA USU.

3. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si selaku dosen pembimbing saya.

Penulis sangat berterima kasih untuk setiap masukan, saran bahkan waktu yang senantiasa diberikan kepada penulis sampai pada akhir penyelesaian Skripsi ini.

4. Seluruh Dosen dan Karyawan Program Studi S1 Fisika Departemen Fisika FMIPA-USU

5. Kepada mama ku Lintje Marpaung yang telah memberikan dorongan dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini.

6. Buat Kedua Kakak-kakak ku yang selalu mendukung dan membantu dalam menyelesaikan skripsi ini.

(6)

7. Kepada teman-teman di ENGINERING atas dukungan dan kerjasamanya yang telah membantu mengerjakan segala sesuatunya bersama-sama sehingga penulis menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik meskipun banyak halangan yang di dapat.

8. Kepada teman-teman seperjuangan di S1 Fisika Ekstensi 2017 atas dorongan dan kesabaran kalian untuk menghadapi teman seperti saya ini.

9. Terima kasih juga kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian skripsi ini yang tidak dapat disebutkan namanya satu per satu.

Akhir kata penulis mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan menjadi bahan masukan dalam dunia pendidikan.

Medan, Juli 2019 Penulis,

Mual Juliansen Rumahorbo

(7)

Banyak pemadaman listrik dilakukan di daerah – daerah secara bergilir.

Pemadaman listrik ini dilakukan karena kapasitas beban sudah melebihi kapasitas yang telah ditentukan Kebutuhan energi listrik untuk mensupply peralatan elektronik semakin meningkat. Namun energi listrik yang disalurkan oleh PLN kepada konsumen tidak selamanya berjalan dengan baik, sewaktu – waktu bisa padam. Maka perlu diupayakan sumber energy listrik alternatif. Dalam proyek akhir ini Uninterruptible Power Supply (UPS) yang berbasis mikrokontroller dimanfaatkan sebagai catu daya peralatan elektronik supaya dapat bekerja dalam kondisi sumber energi listrik dari PLN padam. Dalam UPS digunakan peralatan penyearah yang berupa bridge rectifier bertujuan untuk menyearahkan tegangan AC menjadi tegangan DC. Kemudian keluaran dari rectifier digunakan sebagai masukan dari buck konverter I yang bertujuan menurunkan tegangan. Kemudian terdapat rangkaian boost konverter untuk menaikkan tegangan, dan terdapat rangkaian inverter yang digunakan untuk merubah tegangan DC menjadi tegangan AC, yang kemudian dari outputan inverter terhubung trafo step up yang berfungsi untuk menaikkan tegangan.

Kata Kunci : UPS, Buck Konverter, Boost Konverter, Inverter, Trafo Step Up

(8)

Many electric extinction in area by have innings. This electric extinction because the load capacity already exceeds the capacity that has been determined.

Electrical energy needs to supply electronic equipment is increasing. But the electrical energy supplied by PLN to consumers do not always go well, at any time – could extinction. Then necessary that the electrical energy source alternative. In this final project Uninterruptible Power Supply (UPS) based microcontroller is used as the power supply of electronic equipment in order to work in conditions of energy sources of PLN extinction. In the UPS be used equipment in the form of bridge rectifier rectifier which aims to be is unidirectional from AC voltage into DC voltage. Then the output of the rectifier is used as the input of the buck converter I which was originally aimed at lowering,Then there is a boost converter circuit to increase and there is a series of inverters used to convert DC voltage into AC voltage, then the inverter is connected outputan step up transformer that serves.

Keywords : UPS, Buck Konverter, Boost Konverter, Inverter, Trafo Step Up

(9)

DAFTAR ISI

Halaman

PERSETUJUAN i

PERNYATAAN ii

PENGHARGAAN iii

ABSTRAK v

ABSTRACT vi

DAFTAR ISI vii

DAFTAR TABEL ix

DAFTAR GAMBAR x

DAFTAR LAMPIRAN xi

BAB I 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 3

1.6. Sistematika Penulisan 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 4

2.1. Uninteeruptable Power Supply 4

2.1.1 Offline UPS 6

2.1.2 Online UPS 7

2.1.3 Line Interactive UPS 8

2.2 Arus Listrik 8

2.3 Tegangan 10

2.4 Stabilitas Tegangan 10

2.5 Klasifikasi Umum Power Supply 12

(10)

2.51. Jenis-jenis Power Supply 13

2.6 Beban 15

2.7 Transformator 17

2.8 Inverter 19

2.9 Half Bridge Inverter ( Single Phase ) 20

2.10 Charger Otomatis 21

2.11 Mikrokontroller Atmega328 22

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 34

3.1. Jenis Penelitian 34

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian 34

3.3 Diagram Blok Rangkaian 34

3.4 Rangkaian Mikrokontroller ATMega 328 35

3.5 Skema Rangkaian Baterai 36

3.6 Rangkaian LCD 37

3.7 Rangkaian Power Charger 38

3.8 Prosedur Penelitian 39

3.9 Diagram Alir (Flowchart) 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 41

4.1 Pengujian Rectifier 41

4.2 Pengujian Buck Converter 41

4.3 Pengujian Boost Converter 42

4.4 Pengujian Inverter 42

4.5 Pengujian Trafo Step Up 43

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 44

5.1. Kesimpulan 44

5.2. Saran 44

DAFTAR PUSTAKA

LAMPIRAN

(11)

DAFTAR TABEL

No. Tabel Judul Halaman

1. Data Hasil Pengujian Rectifier 41 2. Data Hasil Pengujian Buck Converter 41 3. Data Hasil Pengujian Boost Converter 43

4. Data Hasil Pengujian Inverter 42

5. Data Hasil Pengujian Trafo Step Up 43

(12)

DAFTAR GAMBAR

No. Gambar Judul

Halaman

1. Blok Diagram UPS Online 6

2. Blok Diagram UPS Offline 7

3. Blok Diagram UPS dari sumber arus 7

4. Blok Diagram UPS dari Baterai 8

5. Trafo Step Up 18

6. Trafo Step Down 19

7. Half Bridge Inverter 20

8. Rangkaian Charger Otomatis 21

9. Konfigurasi Arduino Uno 23

10. ATMega 328 25

11. Pin Mikrokontroller Atmega 328 26

12. Papan Arduino Uno 29

13. Blok Diagram Keseluruhan 34

14. Perancangan Mikrokontroller 35

15. Skema Rangkaian Charger 36

16. Rangkaian Skematik LCD ke Arduino 37

17. Rangkaian Power Charger 38

18. Diagram Prosedur Penelitian 39

19. Diagram Alir 40

20. Skema Rangkaian LCD Keseluruhan 44

21. Diagram Prosedur Penelitian 45

22. Diagram Alir (Flowchart) 46

23. Pengujian Mikrokontroller 47

24. Grafik Hubungan Battery (Watt) dengan DC to DC (Watt) 52 Terhadap Beban Bervariasi

(13)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1. Rangkaian PCB Layout Lampiran 2. Rangkaian Skematik Alat Lampiran 3. Program Lengkap

Lampiran 4. Foto Keseluruhan Alat Lampiran 5. Datasheet

(14)

BAB 1 PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dengan bertambahnya kebutuhan manusia maka teknologi juga akan semakin berkembang, Fenomena ini akan semakin memacu konsumsi energi listrik. Setiap kebutuhan manusia banyak menggunakan peralatan – peralatan elektronik yang lebih praktis dan efisien, sehingga semakin tinggi tingkat konsumsi energi listrik maka pihal PLN ( Pembangkit Listrik Negara ) sebagai penyedia energi listrik dan sebagai pengelola energi kelistrikan nasional memiliki kewajiban memenuhi kebutuhan energi listrik nasional yang semakin tahun semakin meningkat. Hal tersebut maka pihak PLN sering melakukan pemadaman listrik secara bergilir. Pemadaman listrik ini dilakukan karena kapasitas beban sudah melebihi kapasitas yang telah ditentukan, sehingga pembangkit listrik yang ada tidak mencukupi. Pemadaman listrik yang dilakukan secara tiba – tiba akan menyebabkan peralatan elektronika menjadi cepat rusak dan pekerjaan ( data ) yang kita kerjakan akan hilang.

Untuk mengantisipasi terjadinya pemadaman listrik secara tiba – tiba dibutuhkan suatu sumber energy seperti UPS ( Uninterruptible Power Supply ) yang dapat mensupply peralatan elektronika apabila ada gangguan pemadaman energi listrik.

Di dalam UPS terdapat rectifier untuk merubah tegangan AC to DC, dan terdapat pula buck converter, buck koverter ini yang yang memegan peranan penting untuk mencharger battery, dan outputan battery disambungkan dengan boost converter, setelah itu terdapat inverter untuk merubah tegangan DC to AC, dari output battery yang kemudian disambungkan ke trafo step up untuk menaikan tegangan yang kemudian ke beban.

Dengan berkembangnya teknologi UPS, maka alat tersebut diharapkan mampu memberikan tegangan regulasi yang baik serta mampu memberikan arus yang cukup kepada beban. Dengan demikian bila terjadi pemadaman listrik secara tiba – tiba, peralatan elektronik tidak mudah rusak dan masih dapat aktif selama beberapa saat.

(15)

1.2 Rumusan Masalah

Penelitian yang dilakukan dibatasi pada ruang lingkup yang lebih rinci agar sesuai dengan topik penelitian. Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah

1. Pada awalnya UPS hanya digunakan pada unit computer untuk mengatasi hilangnya daya listrik dari jaringan secara tiba-tiba, paling tidak energi listrik masih tersedia untuk melakukan penyimpanan data.

2. Pada saast ini UPS mulai digunakan untuk keperluan sekunder seperti untuk penerangan, kipas angina dan air counditioner.

3. UPS yang diharapkan menghasilkan bentuk gelombang sinus sehingga dapatmenggantikan daya listrik yang terputus dari jaringan listrik umum.

1.3 Batasan Masalah

Penelitian yang dilakukan dibatasi pada ruang lingkup yang lebih rinci agar sesuai dengan topik penelitian. Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah

1. Modul yang digunakan adalah EGS002

2. Daya maksimum yang dapat disupply adalah 500 watt

3. Baterai yang digunakan adalah baterai 12 V 7Ah VRLA, yang dapat digantikan dengan baterai yang lebih besar untuk keperluan pemakaian yang lebih lama.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dalam penelitian ini adalah

1. Mendapatkan satu sistem UPS sederhana dengan bentuk gelombang setara dengan gelombang arus AC dari jaringan listrik umum

2. Untuk mendapatkan UPS yang merupakan kebutuhan utama pada pekerjaan yang mengandalkan listrik sebagai penggerak kegiatan dan pekerjaan.

(16)

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari pembuatan skripsi ini adalah sebagai berikut:

1. Dapat digunakan sebagai alat bantuk di laboratorium, terutama dalam praktikum power back up

2. Informasi mengenai alat ini ada kemungkinan untuk dipublikasikan dan alatnya diusulkan untuk HKI dan diproduksi.

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisikan mengenai latar belakang, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, serta sistematika penulisan.

BAB II LANDASAN TEORI

Bab ini meliputi tentang teori landasan teori, dijelaskan tentang teori pendukung yang digunakan untuk pembahasan dan cara kerja dari rangkaian teori pendukung itu antara lain tentang mikrokontroler yang digunakan, bahasa program yang dipergunakan dan komponen pendukung.

BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM

Membahas tentang perencanaan dan pembuatan sistem secara keseluruhan.

BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL RANGKAIAN

Pembahasan rangkaian dan program yang dijalankan serta pengujian rangkaian, uji coba alat yang telah dibuat, pengoperasian dan spesifikasi alat dan lain sebagainya.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisikan penutup yang meliputi tentang kesimpulan dari pembahasan yang dilakukan dari laporan skripsi ini serta saran apakah rangkaian ini dapat dibuat lebih efisien dan dikembangkan dengan metode lain yang mempunyai sistem kerja yang sama.

(17)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Uninterruptable Power Supply

UPS (Uninterruptable Power Supply) adalah suatu alat yang berfungsi sebagai buffer antara power supply dengan peralatan elektronik yang kita gunakan seperti komputer, printer, modem, dsb. Bila ada gangguan, atau dengan kata lain suplai daya terputus, maka UPS akan segera bekerja dalam waktu secepat mungkin sehingga peralatan elektronik yang kita miliki tidak mengalami kerusakan. Dalam hal ini UPS berfungsi sebagai supply daya baru (backup dari supply daya utama). Sering terjadi supply daya dari PLN yang terputus-putus maka mengakibatkan menurunnya kualitas supply daya dari PLN itu sendiri, padahal supply daya tersebut sangat berpengaruh terhadap kelangsungan hidup peralatan elektronik yang disuplainya. Beberapa hal utama yang menyebabkan menurunnya kualitas supply daya antara lain :

1. Tegangan lebih akibat petir. Tegangan lebih akibat petir biasanya terjadi dalam waktu beberapa mikro detik. Tegangan lebih ini biasanya dapat merusak perangkat keras (hardware) dari peralatan elektronik yang dikenainya. Seperti microchips, harddisk, monitor dsb.

2. Tegangan lebih akibat switch. Biasanya terjadi akibat mesin listrik dengan daya yang besar diputus dari supply.

3. Tegangan kedip sesaat akibat peralatan listrik berdaya besar baru dinyalakan. Tegangan kedip ini dapat menyebabkan komputer hang, salah pembacaan pada harddisk atau kerusakan fisik pada harddisk tersebut.

4. Tegangan kurang, akibat PLN tidak mampu melayani beban puncak. Hal ini mengakibatkan peralatan kita dicatu dengan tegangan lebih rendah dari ratingnya. Hal ini sangat berbahaya bagi peralatan kita sangat sensitif terhadap perubahan tegangan.

5. Black-Out . Tegangan dari PLN terputus.[12]Dalam UPS itu sendiri terdapat beberapa komponen penyusunnya, dimana setiap komponen tersebut mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Komponen penyusun utama dari sistem UPS tersebut antara lain :

(18)

a) Battery

Sebagai penyimpan energi listrik dimana prosesnya melalui reaksi kimiawi (elektro-kimia)

b) Rectifier

Berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi DC dari supply daya untuk mengisi battery.

c) Inverter

Berfungsi untuk mengubah tegangan DC menjadi AC ke peralatan yang dilindungi oleh UPS.

Berdasarkan cara kerjanya UPS sendiri dibedakan lagi menjadi tiga yaitu Off- Line UPS, On-Line UPS, dan Line Interactive UPS dimana pada setiap jenis cara kerja tersebut terdiri dari normal mode, stored-energy mode, bypass mode.

Normal Mode

Beban disuplai oleh energi utama (tegangan input) melalui koneksi pararel antara daya input dan dari inverter. Inverter berfungsi menyediakan daya output dan/atau pengisian baterei.frekuensi output sesuai dengan frekuensi input .

Stored Energy Mode

Ketika energi input tidak ada atau diluar toleransi UPS maka baterei dan inverter akan mensupply daya untuk beban. Saklar memutus hubungan dengan daya input dan menghubungkan dengan inverter. UPS menjalankan mode ini dalam waktu yang terbatas (stored energy time), atau sampai ketika daya input dihubungkan kembali ke UPS.

Bypass mode

Mode ini dijalankan ketika ada suatu masalah (trouble) pada komponen UPS.

Daya input UPS akan langsung dijadikan daya output UPS. Prinsip kerjanya mirip dengan normal mode.

2.1.1 Off-Line UPS

Jenis UPS ini memiliki ciri dimana switch yang terdapat pada rangkaiannya pada keadaan biasa menghubungkan antara supply tegangan utama dengan beban (peralatan) di mana pada saat yang sama battery di-charge oleh rectifier dan

(19)

Gambar 2.1 Blok diagram UPS Ofline Kerja dari Sumber Listrik Utama inveter dalam keadaan stand-by , pada saat supply tegangan utama terganggu maka switch dihubungkan dengan inverter untuk menyuplai beban. UPS jenis ini merupakan UPS paling murah diantara jenis UPS yang lain, karena komponen rectifier dan inverter memiliki rangkaian tidak terlalu kompleks. Kelemahan dari jenis ini adalah terdapat delay waktu pada saat perpindahan switch sehingga dapat mempengaruhi tegangan yang ada pada beban, maka perlu adanya sinkronisasi antara tegangan.

Gambar 2.2 Blok diagram UPS Offline kerja dari baterai 2.1.2 On-Line UPS

Jenis UPS ini memiliki ciri dimana switch pada keadaan biasa menghubungkan supply tegangan utama dengan rectifier yang mengisi battery dan menyuplai inverter dimana inverter juga menyuplai beban secara kontinyu. Pada saat supply tegangan utama terganggu maka beban disupplsy oleh battery melalui inverter sedangkan posisi switch tidak berubah, posisi switch berubah jika inverter mengalami kerusakan sehingga beban langsung disupply oleh supply tegangan utama. Jenis ini lebih mahal daripada yang pertama karena inverternya harus baik.

Sedangkan kelemahannya adalah pada inverter karena jika inverter beroperasi secara terus menerus maka tidak menutup kemungkinan akan memperpendek umur dari inverter itu sendiri.

(20)

Gambar 2.3 Blok diagram UPS online kerja dari Sumber Listrik Utama

Gambar 2.4 Blok diagram UPS online kerja dari baterai 2.1.3 Line Interactive UPS

Pada jenis ini, UPS menggunakan sisitem bi-directional inverter sehingga battery di-charge oleh inverter bi-directional, dimana inverter selalu terhubung dengan beban dan supply tegangan utama secara paralel sedangkan switch terletak pada saluran utama tidak terhubung langsung dengan beban. Pada saat supply tegangan utama terganggu maka switch dilepas dan inverter mencatu beban tanpa terputus. Jenis ini juga memerlukan sisitem kontrol yang kompleks, karena inverternya bekerja secara bi-directional.[12]

2.2 Arus Listrik

Arus Listrik merupakan aliran elektron-elektron dari atom ke atom yang terjadi pada sebuah penghantar dengan kecepatan dalam waktu tertentu.

Penyebab timbulnya arus listrik tersebut dikarenakan adanya beda potensial pada kedua ujung penghantar yang terjadi karena mendapatkan suatu tenaga untuk mendorong elektron-elektron tersebut berpindah-pindah tempat.

Umumnya gerakan aliran elektron ini akan menuju tempat yang lebih lemah

(21)

tekanannya. Sedangkan besar kecilnya arus listrik yang terjadi tentu saja bergantung pada pembangkit listrik yang mengeluarkan tenaga tersebut

Agar alat-alat elektronika dapat kita gunakan maka tenaga dorong listrik yang dibutuhkan haruslah mencukupi dan sesuai dengan yang dibutuhkan. Arus listrik tersebut juga haruslah dapat dialirkan atau diputuskan agar aliran listrik aman dengan kecepatan yang stabil. Kecepatan perpindahan arus listrik ini dapat disebut laju arus yang dapat ditulis dengan I dengan satuan ampere. Dan arus listrik tersebut terjadi jika muatan listrik tersebut mengalir setiap detik. Sehingga dapat kita tuliskan hubungan muatan listrik, arus listrik, dan waktu, dengan rumus

I = Q/t atau Q = I x t (2.1)

Keterangan :

I = Kuat arus listrik (A)

Q = Banyaknya muatan Listrik (Coulomb) T = waktu (s)

Arus listrik yang mengalir tersebut dari sumber arus listrik tersebut dapat kita bedakan menjadi 2 macam yaitu :

a. Arus bolak-balik (Alternating Current)

Arus bolak-balik (AC) adalah arus yang mengalir dengan polaritas yang berubah dan dimana masing-masing terminal polaritasnya bergantian. Padaumumnya arus AC ini adalah arus yang digunakan dalam kehidupan sehari- hari seperti alat-alat elektronika yang dipakai didalam rumah kita. Arus listrik ini dihasilkan oleh pembangkit tenaga listrik yang bernama generator yang ada pada pembangkit listrik.

b. Arus searah (Direct Current)

Arus searah (DC) merupakan arus yang mengalir dengan arah yang tetap (konstan) dengan masing-masing terminal selalu tetap pada polaritasnya. Arus ini bisa terjadi karena berasal dari akumulator (Accu). Arus listrik searah ini dapat dihasilkan dengan cara merubah arus AC menjadi DC menggunakan power supply dengan

(22)

dioda sebagai penyearah arus yang dapat menyearahkan arus bolak-balik menjadi arus searah.[13]

2.3 Tegangan

Sebuah benda bermuatan positif kalau benda tersebut kehilangan elektron dan bermuatan negatif kalau benda tersebut kelebihan elektron.

Dalam keadaan berbeda muatan inilah munculnya tenaga potensial yang berada di antara benda – benda itu. Karena itu bila sepotong kawat penghantar dihubungkan diantara kedua benda yang berbeda muatan menyebabkan terjadinya perpindahan energi diantara benda – benda itu. Peralihan energi ini berlangsung terus selama ada beda tegangan. Terjadinya tegangan disebabkan adanya beda tiap muatan mempunyai tenaga potensial untuk menggerakkan suatu muatan lain dengan cara menarik atau menolak.[12]

Beda tegangan dapat dihasilkan dengan memberikan tekanan listrik dari suatu pembangkit listrik pada salah satu tempat penghantar. Satuan untuk mengukur tegangan listrik adalah volt. Beda tegangan dapat berubah – ubah, dari seperjuta volt sampai beberapa juta volt. Beda tegangan diantara terminal – terminal dari PLN ada yang 110 volt atau 220 volt, beda tegangan diantara dua terminal aki adalah 6 volt atau 12 volt, sedangkan beda tegangan pada baterai umumnya 1,5 volt.[11]

2.4 Stabilitas Tegangan

Kestabilan sistem tenaga listrik adalah kemampuan dari suatu sistem dalam menjaga operasi yang seimbang dan kemampuan sistem tersebut kembali pada kondisi operasi normal ketika terjadi gangguan. Kestabilan sistem tenaga menunjukkan kemampuan sebuah sistem tenaga listrik, pada kondisi operasi awal yang diberikan, untuk mengembalikan kondisi operasi menjadi seimbang kembali setelah mendapatkan gangguan fisik pada hampir keseluruhan variabel sistem yang saling terikat sehingga integritas sistem dapat tidak terjaga.

Salah satu faktor pada kestabilan sistem tenaga adalah stabilitas tegangan.

Stabilitas tegangan ialah kemampuan dari sistem untuk menjaga nilai tegangan pada batas yang ditentukan baik sebelum, selama dan setelah terjadi gangguan.

(23)

Sistem mengalami kondisi tidak stabil ketika terjadi gangguan dan perubahan beban.

Stabilitas tegangan merupakan bagian penting dalam operasi suatu sistem tenaga listrik. Ketidakstabilan tegangan merupakan ketidakmampuan sistem untuk mempertahankan profil tegangan dalam batas yang diperbolehkan setelah terjadi gangguan atau perubahan konfigurasi sistem. Setiap sistem tenaga listrik diharapkan dapat mempertahankan stabilitas tegangannya untuk menjaga ketersediaan suplai listrik secara kontinu (availability) dengan kualitas daya yang baik dan meminimalisasi terjadinya pemadaman listrik (black out) total atau sebagian.

Stabilitas tegangan terbagi menjadi dua, yaitu stabilitas tegangan akibat gangguan yang kecil dan akibat gangguan yang besar. Stabilitas tegangan akibat gangguan kecil ini terjadi akibat gangguan yang kecil atau bersifat lokal, seperti perubahan kenaikan beban di sistem. Sedangkan, stabilitas akibat gangguan besar adalah kemampuan sistem untuk mempertahankan tegangan pada batas operasi yang ditentukan akibat terjadi gangguan yang besifat besar, seperti kesalahan sistem, pelepasan generator, atau kontingensi pada jaringan. Keadaan tersebut membuat sistem harus mendapatkan kembali kestabilannya.

Kestabilan tegangan berkaitan dengan kemampuan suatu sistem daya untuk menjaga tegangan tetap stabil pada semua sistem, pada kondisi operasi normal dan setelah terjadi gangguan. Ketidakstabilan yang terjadi akan mengakibatkan tegangan turun atau tegangan naik. Akibat yang mungkin timbul dari ketidakstabilan tegangan adalah hilangnya beban dimana tegangan mencapai nilai rendah yang tidak dapat diterima atau hilangnya integritas sistem daya.

Masalah kestabilan tegangan biasanya terjadi pada sistem dengan pembebanan yang besar. Ketidakstabilan tegangan dapat menginisiasi terjadinya runtuh tegangan. Gangguan yang menyebabkan runtuh tegangan dapat dipicu oleh beberapa hal, seperti naiknya beban atau gangguan besar yang muncul secara tiba- tiba. Stabilitas tegangan merupakan permasalahan utama pada transmisi daya listrik terutama melalui saluran yang panjang dengan tingkat pembebanan yang tinggi. Ketidakstabilan tegangan terjadi karena kecenderungan beban menyerap daya lebih besar dari batas pembebanan sistem. Tingkat stabilitas tegangan perlu

(24)

terus dipantau untuk mencegah sistem tenaga listrik mengalami ketidakstabilan atau runtuh tegangan. Indikator akan membandingkan tingkat pembebanan dengan batas stabilitas tegangan.

Analisis stabilitas tegangan diperlukan saat perencanaan ataupun operasi sistem tenaga listrik. Apabila terdapat perubahan konfigurasi sistem yang tidak disengaja seperti terjadinya kontingensi, tentunya kemungkinan besar stabilitas tegangan sistem tidak akan sama dengan kondisi normal. Contohnya adalah lepasnya saluran atau generator dapat mengakibatkan turunnya kemampuan stabilitas tegangan. Terdapat berbagai metode untuk menganalisis stabilitas tegangan, salah satunya yaitu titik ketidakstabilan tegangan dapat ditentukan dengan menggunakan Fast Voltage Stability Index (FVSI). FVSI merupakan indeks stabilitas tegangan yang mengacu pada saluran sistem. Stabilitas tegangan juga dapat dilihat dengan metode lain seperti kurva P-V yaitu hubungan antara perubahan daya dan tegangan.

Terdapat dua jenis stabilitas tegangan berdasarkan waktu simulasinya:

stabilitas tegangan statis dan stabilitas tegangan dinamis. Analisis dinamis digunakan untuk studi stabilitas transien dengan memperhatikan dinamika beban dan generator. Analisis statis menggunakan persamaan aljabar yang secara komputasional lebih mudah dibanding analisis dinamis.

2.5 Klasifikasi Umum Power Supply

Pada umumnya Power Supply dapat diklasifikasikan menjadi 3 kelompok besar, yakni berdasarkan Fungsinya, berdasarkan Bentuk Mekanikalnya dan juga berdasarkan Metode Konversinya. Berikut ini merupakan penjelasan singkat mengenai ketiga kelompok tersebut :

1. Power Supply Berdasarkan Fungsi (Functional)

Berdasarkan fungsinya, Power supply dapat dibedakan menjadi Regulated Power Supply, Unregulated Power Supply dan Adjustable Power Supply.

a. Regulated Power Supply adalah Power Supply yang dapat menjaga kestabilan tegangan dan arus listrik meskipun terdapat

(25)

perubahaan atau variasi pada beban atau sumber listrik (Tegangan dan Arus Input).

b. Unregulated Power Supply adalah Power Supply tegangan ataupun arus listriknya dapat berubah ketika beban berubah atau sumber listriknya mengalami perubahan.

c. Adjustable Power Supply adalah Power Supply yang tegangan atau Arusnya dapat diatur sesuai kebutuhan dengan menggunakan Knob Mekanik. Terdapat 2 jenis Adjustable Power Supply yaitu Regulated Adjustable Power Supply dan Unregulated Adjustable Power Supply.

2. Power Supply Berdasarkan Bentuknya

Untuk peralatan Elektronika seperti Televisi, Monitor Komputer, Komputer Desktop maupun DVD Player, Power Supply biasanya ditempatkan di dalam atau menyatu ke dalam perangkat-perangkat tersebut sehingga kita sebagai konsumen tidak dapat melihatnya secara langsung. Jadi hanya sebuah kabel listrik yang dapat kita lihat dari luar. Power Supply ini disebut dengan Power Supply Internal (Built in). Namun ada juga Power Supply yang berdiri sendiri (stand alone) dan berada diluar perangkat elektronika yang kita gunakan seperti Charger Handphone dan Adaptor Laptop. Ada juga Power Supply stand alone yang bentuknya besar dan dapat disetel tegangannya sesuai dengan kebutuhan kita.

3. Power Supply Berdasarkan Metode Konversinya

Berdasarkan Metode Konversinya, Power supply dapat dibedakan menjadi Power Supply Linier yang mengkonversi tegangan listrik secara langsung dari Inputnya dan Power Supply Switching yang harus mengkonversi tegangan input ke pulsa AC atau DC terlebih dahulu.

2.5.1 Jenis-jenis Power Supply

Selain pengklasifikasian diatas, Power Supply juga dapat dibedakan menjadi beberapa jenis, diantaranya adalah DC Power Supply, AC Power Supply, Switch Mode Power Supply, Programmable Power Supply, Uninterruptible Power

(26)

1. DC Power Supply

DC Power Supply adalah pencatu daya yang menyediakan tegangan maupun arus listrik dalam bentuk DC (Direct Current) dan memiliki Polaritas yang tetap yaitu Positif dan Negatif untuk bebannya.

Terdapat 2 jenis DC Supply yaitu : a. AC to DC Power Supply

AC to DC Power Supply, yaitu DC Power Supply yang mengubah sumber tegangan listrik AC menjadi tegangan DC yang dibutuhkan oleh peralatan Elektronika. AC to DC Power Supply pada umumnya memiliki sebuah Transformator yang menurunkan tegangan, Dioda sebagai Penyearah dan Kapasitor sebagai Penyaring (Filter).

b. Linear Regulator

Linear Regulator berfungsi untuk mengubah tegangan DC yang berfluktuasi menjadi konstan (stabil) dan biasanya menurunkan tegangan DC Input.

2. AC Power Supply

AC Power Supply adalah Power Supply yang mengubah suatu taraf tegangan AC ke taraf tegangan lainnya. Contohnya AC Power Supply yang menurunkan tegangan AC 220V ke 110V untuk peralatan yang membutuhkan tegangan 110VAC. Atau sebaliknya dari tegangan AC 110V ke 220V.

3. Switch-Mode Power Supply

Switch-Mode Power Supply (SMPS) adalah jenis Power Supply yang langsung menyearahkan (rectify) dan menyaring (filter) tegangan Input AC untuk mendapatkan tegangan DC. Tegangan DC tersebut kemudian di-switch ON dan OFF pada frekuensi tinggi dengan sirkuit frekuensi tinggi sehingga menghasilkan arus AC yang dapat melewati Transformator Frekuensi Tinggi.

4. Programmable Power Supply

Programmable Power Supply adalah jenis power supply yang pengoperasiannya dapat dikendalikan oleh Remote Control melalui

(27)

antarmuka (interface) Input Analog maupun digital seperti RS232 dan GPIB.

5. Uninterruptible Power Supply (UPS)

Uninterruptible Power Supply atau sering disebut dengan UPS adalah Power Supply yang memiliki 2 sumber listrik yaitu arus listrik yang langsung berasal dari tegangan input AC dan Baterai yang terdapat didalamnya. Saat listrik normal, tegangan Input akan secara simultan mengisi Baterai dan menyediakan arus listrik untuk beban (peralatan listrik). Tetapi jika terjadi kegagalan pada sumber tegangan AC seperti matinya listrik, maka Baterai akan mengambil alih untuk menyediakan Tegangan untuk peralatan listrik/elektronika yang bersangkutan.

6. High Voltage Power Supply

High Voltage Power Supply adalah power supply yang dapat menghasilkan Tegangan tinggi hingga ratusan bahkan ribuan volt.

High Voltage Power Supply biasanya digunakan pada mesin X-ray ataupun alat-alat yang memerlukan tegangan tinggi.[5]

2.6 Beban

Terdapat beberapa jenis beban terkait dengan penggunaannya antara lain : beban rumah tangga, beban industri, dan beban perkantoran. Dari beban-beban tersebut, terdapat beban yang dapat beroperasi dengan AC maupun DC. Beban tersebut antara lain

a. Beban resistif yang meliputi lampu pijar, kompor listrik, oven listrik, dan sebagainya. Beban-beban resistif ini merupakan beban yang dimodelkan sebagai resistansi.

b. Beban elektronika yang meliputi komputer, TV layar datar, battery charger . Beban ini secara internal menggunakan DC dimana terdapat penyearah jembatan (bridge rectifier) yang mengkonversi dari AC menjadi DC.

Selain itu, saat ini terdapat lampu fluorescent atau compact fluorescent lamp (CFL) yang dapat beroperasi dengan DC, yaitu yang menggunakan ballast elektronika. Pada CFL sendiri terdapat dua teknik umum agar lampu ini dapat menyala, yaitu :

(28)

Ballast Magnetik merupakan teknik awal pada sistem lampu fluorescent. Meskipun inti besi dari ballast sederhana, tetapi ballast ini ukurannya besar dan mempunyai rugi-rugi yang tinggi.

b. Ballast Elektronika

Ballast Elektronika merupakan teknologi terbaru yang membawa kepada efisiensi yang lebih baik pada sistem lampu fluorescent.

Ballast elektronika memanfaatkan elektronika daya untuk membangkitkan tegangan frekuensi tinggi pada lampu.

c. Beban berputar yang digerakkan dengan universal machine atau frequency controlled machine. Beban seperti pengering rambut (hair dryers), vacuum cleaner, pengaduk makanan (food mixers) biasanya menggunakan motor universal. Motor universal ini sebagian besar merupakan motor DC yang dapat beroperasi baik dengan tegangan AC maupun DC .

Selain itu, terdapat beban yang hanya dapat beroperasi dengan menggunakan suplai AC yaitu beban yang mengandung bagian induktif. Hal ini disebabkan suplai DC menghasilkan arus konstan yang melalui bagian induktif dari beban tersebut. Beban dengan breaker mekanis yang didesain untuk tegangan AC juga tidak bisa disuplai dengan DC.

Regulasi beban menentukan nilai seberapa besar perubahan tegangan yang terjadi pada keluaran pada rentang tertentu akibat dari perubahan nilai arus beban, pada umumnya pengujian dimulai dari arus minimum (tanpa beban, NL) sampai ke tingkat arus maksimum (beban penuh, FL). Pengujian regulasi beban diukur dengan menjaga tegangan masukan jala-jala dalam kondisi konstan dengan mengamati perubahan tegangan keluaran ketika beban berubah-ubah dari nol sampai beban penuh.[5]

2.7 Transformator

Transformator merupakan suatu peralatan listrik yang bisa memindahkan energi listrik atau mengubah energi listrik bolak-balik dari satu level ke level tegangan yang lain berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Induksi elektromagnetik dapat terjadi karena pada kedua ujung kumparan terjadi perubahan jumlah garis- garis gaya medan magnet. Pada umumnya

(29)

transformator terdiri atas sebuah inti yang terbuat dari besi berlapis dan dua buah kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder dan bersifat induktif yang berpisah secara elektris namun berhubungan secara magnetis melalui jalur yang memiliki reluktansi ( reluctance) rendah.

Gambar 2.5 Transformator Step-Up

Apabila kumparan primer dihubungkan dengan sumber tegangan bolak- balik, maka fluks bolak-balik akan muncul di dalam inti (core) yang dilaminasi, karena kumparan tersebut membentuk jaringan tertutup, maka mengalirlah arus primer.

Transformator step-up adalah transformator yang memiliki lilitan sekunder lebih banyak daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penaik tegangan.

Transformator ini biasa ditemui pada pembangkit tenaga listrik sebagai penaik tegangan yang dihasilkan generator menjadi tegangan tinggi.

Gambar 2. 6 Transformator Step-Down

(30)

Apabila tegangan diturunkan disebut transformator step – down.

Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.

Arus daya AC yang bervariasi diperlukan untuk menghasilkan fluks magnet yang bervariasi pada inti besi sehingga energi listrik dari satu kumparan ditransfer ke kumparan yang lain. Kumparan yang menerima daya dari pensuplai disebut kumparan primer, sedangkan kumparan yang memberikan daya pada beban disebut kumparan sekunder. Frekuensi AC dari primer menginduksikan frekuensi yang sama pada sekunder. Selain sebagai pengubah tegangan, transformator juga dapat digunakan untuk mengisolasi rangkaian, mengatur tegangan atau arus dan untuk pengukuran serta rangkaian pelindung[7]

2.8 Inverter

Konverter DC ke AC dinamakan inverter. Fungsi sebuah inverter adalah mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC.Tegangan outpunya bisa tertentu dan bisa pula diubah- ubah dengan frekuensi tertentu atau frekuensi yang diubah-ubah. Tegangan output variabel didapat dengan mengubah-ubah tegangan input DC dan agar gain inverter konstan. Disisi lain, apabila tegangan input DC adalah tertentu dan tidak bisa diubah-ubah, bisa didapatkan tegangan output yang variabel dengan mengubah-ubah gain dari inverter, yang biasanya dilakukan dengan kontrol PWM didalam inverter. Gain inverter didefinisikan sebagai rasio tegangan output AC terhadap tegangan input DC.

Bentuk gelombang tegangan output inverter ideal adalah sinus. Tetapi kenyataannya bentuk gelombang tegangan output inverter tidaklah sinus dan mengandung harmonisa tertentu. Untuk penerapan dengan daya rendah dan menengah, gelombang kotak simetri ataupun tidak simetri bisa digunakan, sedangkan untuk penerapan dengan daya tinggi dibutuhkan untuk gelombang sinus dengan sedikit distorsi. Dengan kemampuan piranti semikonduktor daya kecepatan tinggi yang tersedia, kandungan harmonisa dalam bentuk gelombang output bisa dikurangi dengan teknik penyakelaran (switching). Beberapa tipe inverter adalah Inverter Sumber Tegangan (Voltage Source Inverter VSI) dan

(31)

Inverter Sumber Arus (Current Source Inverter CSI). Tetapi karena hanya digunakan terbatas pada motor berdaya sangat tinggi, CSI tidak banyak didiskusikan. Ada dua jenis inverter yang umum digunakan pada sistem tenaga listrik, yaitu:

1. Inverter dengan tegangan dan frekuensi yang konstan CVCF (Constant Voltage Constant Frequency).

2. Inverter dengan tegangan dan frekuensi keluaran yang berubah- ubah.

2.9 Half Bridge Inverter (Single Phase)

Pada Gambar 2.7 ditunjukkan rangkaian half bridge inverter. Dua buah kapasitor yang mempunyai nilai sama disambung secara seri dan melintang dengan tegangan input DC dan sambungan potensial kapasitor yang berada di tengah-tengah dengan tegangan yang melintang pada setiap kapasitor. Dengan memperhatikan switch state arus yang berada diantara dua buah kapasitor C+ dan C- ( yang mana sama dan mempunyai nilai yang besar ) dibagi sama besar. Ketika T+ ON, T+ atau D+ akan konduksi tergantung dari arah arus keluaran, dan arah arus io dibagi sama besar oleh dua buah kapasitor. Hampir sama seperti ketika T- ON, T- atau D- akan konduksi tergantung dari arah arus keluaran io dan arus io dibagi sama besar oleh dua buah kapasitor. Kapasitor C+ dan C- sangat efektif jika disambung secara pararel pada jalur yang dilalui oleh Io, juga dapat menjelaskan kenapa sambungan “o” berada pada potensial tengah.

Gambar 2.7 Half Bridge Inverter

Ketika io mengalir terus ke pararel C+ dan C-, io akan steady state. Karena itu kapasitor ini bekerja seperti sumber dc membloking kapasitor, untuk

(32)

menyelesaikan masalah saturasi pada trafo pada sisi primer, jika sebuah transformator digunakan pada keluaran inverter disediakan isolasi elektrik.

2.10 Charger Otomatis

Rangkaian charger ini digunakan untuk mencharge accu saat jala-jala PLN bekerja normal. Rangkaian ini bekerja secara otomatis, artinya ketika accu memerlukan pengisian maka rangkaian ini akan mencharge accu dan ketika accu dalam keadaan normal maka rangkaian akan mendischarge accu. Charger ini dilengkapi dengan indikator LED yang mengindikasikan charger mengalami proses pengisian maupun tidak mengisi dengan kata lain baterai telah terisi penuh. Gambar 2.26 adalah gambar rangkaian charger otomatis.

Gambar 2.8 Rangkaian Charger Otomatis

Charger accu ini bisa digunakan untuk accu jenis apa saja. Rangkaian ini otomatis, mampu mengisi accu dengan arus 6 A hingga voltase accu mencapai titik tertentu. Pada titik ini arus pengisian menjadi sangat kecil. Jika voltase accu berkurang lagi, rangkaian akan kembali mengisi aki hingga mencapai titik voltase tadi. Jadi, rangkaian bisa tetap disambungkan ke accu agar accu selalu dalam kondisi penuh tanpa harus takut merusak accu. Sebuah LED akan menyala untuk menandakan bahwa aki sudah penuh

Setelah rangkaian siap, trimpot TR1 dibuat nol kemudian rangkaian diatur sebagai berikut :

1. Sebelum menyambung ke accu, pastikan kedua LED menyala dengan baik.

2. TR1 harus diatur untuk menentukan batas voltase yang diinginkan.

Accu basah biasanya di-charger dengan voltase 13,8 V, sedangkan accu kering dan semi kering 14,5 - 14,9

V. Cara mengesetnya, putar Trimpot TR1 hingga mencapai tegangan voltase yang diinginkan. Pasang aki yang akan di-

(33)

charger. Amati proses pengisian dengan voltmeter hingga voltase accu mencapai voltase yang diinginkan. Kemudian putar trimpot TR2 hingga LED mati. Charger sudah siap digunakan sekarang.

3. Pasang accu, pastikan LED LD2 mati dan arus yang mengalir sebesar 2-6 A.

4. LED LD2 akan hidup dan arus berhenti mengalir, menandakan bahwa tegangan aki mendekati tegangan yang telah diinginkan.

2.11 Mikrokontroller ATMega 328

Mikrokontroller ATMega 328 atau Arduino adalah sebuah nama produk desain sistem minimum mikrokontroler yang di buka secara bebas. Kelebihan dari arduino adalah Arduino mempunyai bahasa pemrograman sendiri, pemrograman yang digunakan adalah bahasa C yang telah dipermudah dengan fungsi-fungsi yang sederhana sehingga pemula pun bisa mempelajarinya dengan cukup mudah.

Arduino juga memiliki program yang namanya boot loader yang sudah di tanam pada mikrokontrolernya, boot loader ini sendiri berfungsi untuk menjembatani antara software compiler arduino dengan mikrokontrolernya yang berfungsi untuk mengontrol dalam bentuk yang kecil. Di sini mikrokontroler memiliki memori sendiri, serta proses-proses yang dapat berdiri sendiri, sehingga ketika dihubungkan dengan input dan output yang lain, pengguna juga dapat mengontrol alat tersebut. Arduino UNO adalah sebuah papan mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328.

Arduino UNO mempunyai 14 pin data input /output (6 di antaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 pin input analog, sebuah osilator Kristal 16 MHz, sebuah koneksi USB, sebuah power jack , sebuah ICSP header dan sebuah tombol reset. Arduino UNO mudah sangat mudah untuk dihubungkan ke sebuah komputer dengan sebuah kabel USB atau mensuplainya dengan sebuah adaptor AC ke DC atau menggunakan baterai untuk memulainya.

Arduino UNO adalah sebuah seri terakhir dari board Arduino USB dan model referensi untuk papan Arduino Arduino UNO R3 merupakan board mikrokontroler yang didasarkan pada mikrokontroler jenis ATmega328.

(34)

Konfigurasi bagian utama mikrokontroler dari Arduino Uno ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut ini.

Gambar 2.9 Konfigurasi Arduino Uno

Dari gambar 2.9 dijelaskan bahwa kofigurasi Arduino Uno yaitu sebagai berikut.

a. Universal Asynchronous Receiver/Transmitter (UART) adalah antar muka yang digunakanuntuk komunikasi serial seperti pada RS-232, RS-422 dan RS-485.

b. 2KB RAM pada memory kerja bersifat volatile (hilang saat daya dimatikan), digunakan oleh variable-variabel di dalam program.

c. 32KB RAM flash memory bersifat non-volatile, digunakan untuk menyimpan program yang dimuat dari komputer. Selain program, flash memory juga menyimpan bootloader. Bootloader adalah program inisialisasi yang ukurannya kecil, dijalankan oleh CPU saat daya dihidupkan. Setelah boot loader selesai dijalankan, berikutnya program di dalam RAM akan dieksekusi.

d. 1KB EEPROM bersifat non-volatile, digunakan untuk menyimpan data yang tidak boleh hilang saat daya dimatikan. Tidak digunakan pada papan Arduino.

e. Central Processing Unit (CPU), bagian dari mikrokontroler untuk menjalankan setiap instruksi dari program.

f. Port input/output, pin-pin untuk menerima data (input) digital atau analog, dan mengeluarkan data (output) digital atau analog.

Mikrokontroler ini memiliki beberapa fitur antara lain:

1. 130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock.

2. 32 x 8-bit register serba guna.

3. Kecepatan mencapai 16 MPS dengan clock 16 MHz.

(35)

4. 32 KB Flash memory dan pada arduino memiliki bootloader yang menggunakan 2KB dari flash memori sebagai bootloader. Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 1 KB sebagai tempat penyimpanan data semi permanent karenaa EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya dimatikan.

5. Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranya PWM (Pulse Width Modulation) output.Mikrokontroler ATMega328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja.

(36)

Gambar 2.10 Architecture ATMega328

(37)

Gambar 2.11 Pin Mikrokontroler Atmega 328

Konfigurasi pin ATMega 328 dengan kemasan 28 pin DIP (Dual Inline Package) dapat dilihat pada gambar di atas. Dari gambar di atas dapat dijelaskan fungsi dari masing-masing pin ATMega328 sebagai berikut : ATMega328 memiliki 3 buah PORT utama yaitu PORTB, PORTC, dan PORTD dengan total pin input/output sebanyak 23 pin.[15] PORT tersebut dapat difungsikan sebagai input/output digital atau difungsikan sebagai periperal lainnya.

1. Port B

Port B merupakan jalur data 8 bit yang dapat difungsikan sebagai input/output. Selain itu PORTB juga dapat memiliki fungsi alternatif seperti di bawah ini.

a. ICP1 (PB0), berfungsi sebagai Timer Counter 1 input capture pin.

b. OC1A (PB1), OC1B (PB2) dan OC2 (PB3) dapat difungsikan sebagai keluaran PWM (Pulse Width Modulation).

c. MOSI (PB3), MISO (PB4), SCK (PB5), SS (PB2) merupakan jalur komunikasi SPI. Selain itu pin ini juga berfungsi sebagai jalur pemograman serial (ISP).

d. TOSC1 (PB6) dan TOSC2 (PB7) dapat difungsikan sebagai sumber clock external untuk timer.

(38)

e. XTAL1 (PB6) dan XTAL2 (PB7) merupakan sumber clock utama mikrokontroler.

2. Port C

Port C merupakan jalur data 7 bit yang dapat difungsikan sebagai input/output digital. Fungsi alternatif PORTC antara lain sebagai berikut.

a. ADC6 channel (PC0,PC1,PC2,PC3,PC4,PC5) dengan resolusi sebesar

10 bit. ADC dapat kita gunakan untuk mengubah input yang berupa tegangan analog menjadi data digital

b. I2C (SDA dan SDL) merupakan salah satu fitur yang terdapat pada PORTC. I2C digunakan untuk komunikasi dengan sensor atau device

lain yang memiliki komunikasi data tipe I2C seperti sensor kompas,

accelerometer nunchuck.

3. Port D

Port D merupakan jalur data 8 bit yang masing-masing pin-nya juga dapat difungsikan sebagai input/output. Sama seperti Port B dan Port C, Port D juga

memiliki fungsi alternatif dibawah ini.

a. USART (TXD dan RXD) merupakan jalur data komunikasi serial dengan level sinyal TTL. Pin TXD berfungsi untuk mengirimkan data serial, sedangkan RXD kebalikannya yaitu sebagai pin yang berfungsiuntuk menerima data serial.

b. Interrupt (INT0 dan INT1) merupakan pin dengan fungsi khusus sebagai interupsi hardware. Interupsi biasanya digunakan sebagai selaan dari program, misalkan pada saat program berjalan kemudian terjadi interupsi hardware/software maka program utama akan berhenti dan akan menjalankan program interupsi.

c. T0 dan T1 berfungsi sebagai masukan counter external untuk timer 1 dan timer 0.

d. AIN0 dan AIN1 keduanya merupakan masukan input untuk analog

(39)

Hanya dengan menghubungkannya ke sebuah komputer melalui USB atau memberikan tegangan DC dari baterai atau adaptor AC ke DC sudah dapat membuanya bekerja. [16].

Setelah mengenal bagian-bagian utama dari mikrokontroler Atmega sebagai komponen utama, selanjutnya kita akan mengenal bagian-bagian dari papan Arduino seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.

Gambar 2.12 Papan Arduino Uno

Arduino Uno berbeda dari semua board Arduino yang telah dibuat sebelumnya, Arduino UNO tidak menggunakan chip driver FTDI USB-to-serial.

Sebaliknya, fitur-fitur Atmega16U2 (Atmega8U2 sampai ke versi R2) diprogram sebagai sebuah pengubah USB ke serial.[12]

(40)

2.11.1 Komunikasi Serial Mikrokontroler

Komunikasi Serial adalah komunikasi yang pengiriman data per-bit secara berurutan dan bergantian. Komunikasi ini mempunyai kelebihan yaitu hanya membutukan satu jalur dan kabel yang sedikit dibandingkan dengan komunikasi paralel. Pada prinsipnya komunikasi serial merupakan komunikasi dimana pengiriman data dilakukan per bit sehinga lebih lambat dibandingkan komunikasi paralel, atau dengan kata lain komunikasi serial merupakan salah satu metode komunikasi data dimana hanya satu bit data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada satu waktu tertentu. Pada dasarnya komunikasi serial adalah kasus khusus komunikasi paralel dengan nilai n = 1, atau dengan kata lain adalah suatu bentuk komunikasi paralel dengan jumlah kabel hanya satu dan hanya mengirimkan satu bit data secara simultan. Hal ini dapat disandingkan dengan komunikasi paralel yang sesungguhnya di mana n-bit data dikirimkan bersamaan, dengan nilai umumnya 8 ≤ n ≤ 128.

Komunikasi serial ada dua macam, asynchronous serial dan synchronous serial. Synchronous serial adalah komunikasi dimana hanya ada satu pihak (pengirim atau penerima) yang menghasilkan clock dan mengirimkan clock tersebut bersama-sama dengan data. Contoh pengunaan synchronous serial terdapat pada transmisi data keyboard. Asynchronous serial adalah komunikasi dimana kedua pihak (pengirim dan penerima) masing-masing menghasilkan clock namun hanya data yang ditransmisikan, tanpa clock. Agar data yang dikirimkan sama dengan data yang diterima, maka kedua frekuensi clock harus sama dan harus terdapat sinkronisasi. Setelah adanya sinkronisasi, pengirim akan mengirimkan datanya sesuai dengan frekuensi clock penerima. Contoh penggunaan asynchronous serial adalah pada Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) yang digunakan pada serial port (COM) komputer.

Antarmuka kanal serial lebih kompleks/sulit dibandingkan dengan antarmuka melalui kanal paralel, hal ini disebabkan karena :

1. Dari segi perangkat keras : adanya proses konversi data paralel menjadi serial atau sebaliknya menggunakan piranti tambahan yang disebut UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter).

(41)

2. Dari segi perangkat lunak : lebih banyak register yang digunakan atau terlibat.

Namun di sisi lain antarmuka kanal serial menawakan beberapa kelebihan dibandingkan secara paralel, antara lain :

1. Kabel untuk komunikasi serial bisa lebih panjang dibandingkan dengan paralel; data-data dalam komunikasi serial dikirimkan untuk logika „1‟ sebagai tegangan -3 s/d -25 volt dan untuk logika‟0‟ sebagai tegangan +3 s/d +25 volt, dengan demikian tegangan dalam komunikasi serial memiliki ayunan tegangan maksimum 50 volt, Hal ini menyebabkan gangguan pada kabel- kabel panjang lebih mudah diatasi dibandingkan pada paralel.

2. Jumlah kabel serial lebih sedikit; Anda bisa menghubungkan dua perangkat komputer yang berjauhan dengan hanya 3 kabel untuk konfigurasi null modem, yaitu TxD (saluran kirim), RxD (saluran terima) dan Ground, bayangkan jika digunakan teknik paralel akan terdapat 20 – 25 kabel. Namun pada masing-masing komputer dengan komunikasi serial harus dibayar “biaya”

antarmuka serial yang agak lebih mahal.

3. Banyaknya piranti saat ini (palmtop, organizer, hand-phone dan lain-lain)menggunakan teknologi infra merah untuk komunikasi data, dalam hal ini pengiriman datanya dilakukan secara serial.

IrDA-1 (spesifikasi infa merah pertama) mampu mengirimkan data dengan laju 115,2 kbps dan konsep komunikasi serial dibantu dengan piranti UART, hanya panajang pulsa berkurang menjadi 3/16 dari standar RS-232 untuk menghemat daya.

4. Untuk teknologi embedded system, banyak mikrokontroler yang dilengkapi dengan komunikasi serial (baik seri RISC maupun CISC) atau Serial Communication Interface (SCI); dengan adanya SCI yang terpadu pada IC mikrokontroler akan mengurangi jumlah pin keluaran, sehingga hanya dibutuhkan 2 pin utama TxD dan RxD (di luar acuan ground).

(42)

2.11.2 Pin Masukan dan Keluaran

Masing-masing dari 14 pin digital arduino uno dapat digunakan sebagai masukan atau keluaran menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite() dan digitalRead().

Setiap pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin mampu menerima atau menghasilkan arus maksimum sebasar 40 mA dan memiliki 10 resistor pull-up internal (diputus secara default) sebesar 20-30 KOhm. Sebagai tambahan, beberapa pin masukan digital memiliki kegunaan khusus yaitu:

Komunikasi serial: pin 0 (RX) dan pin 1 (TX), digunakan untuk menerima(RX) dan mengirim(TX) data secara serial.

External Interrupt: pin 2 dan pin 3, pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interrupt pada nilai rendah, sisi naik atau turun, atau pada saat terjadi perubahan nilai.

Pulse-width modulation (PWM): pin 3,5,6,9,10 dan 11, menyediakan keluaran PWM 8-bit dangan menggunakan fungsi analogWrite().

Serial Peripheral Interface (SPI): pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) dan 13 (SCK), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI library.

LED: pin 13, terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH maka LED menyala, sebaliknya ketika pin bernilai LOW maka LED akan padam.Arduino Uno memiliki 6 masukan analog yang diberi label A0 sampai A5, setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default pin mengukur nilai tegangan dari ground (0V) hingga 5V, walaupun begitu dimungkinkan untuk mengganti nilai batas atas dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analogReference(). Sebagai tambahan beberapa pin masukan analog memiliki fungsi khusus yaitu pin A4 (SDA) dan pin A5 (SCL) yang digunakan untuk komunikasi Two Wire Interface (TWI) atau Inter Integrated Circuit (I2C) dengan menggunakan Wire library.

2.11.3 Sumber Daya dan Pin Tegangan

Arduino uno dapat diberi daya melalui koneksi USB (Universal Serial Bus) atau melalui power supply eksternal. Jika arduino uno dihubungkan ke kedua sumber daya tersebut secara bersamaan maka arduino uno akan memilih salah satu sumber daya secara otomatis untuk digunakan. Power supplay external (yang bukan melalui USB) dapat berasal dari adaptor AC ke DC atau baterai. Adaptor

(43)

dapat dihubungkan ke soket power pada arduino uno. Jika menggunakan baterai, ujung kabel yang dibubungkan ke baterai dimasukkan kedalam pin GND dan Vin yang berada pada konektor POWER. Arduino uno dapat beroperasi pada tegangan 6 sampai 20 volt. Jika arduino uno diberi tegangan di bawah 7 volt, maka pin 5V akan menyediakan tegangan di bawah 5 volt dan arduino uno munkin bekerja tidak stabil. Jika diberikan tegangan melebihi 12 volt, penstabil tegangan kemungkinan akan menjadi terlalu panas dan merusak arduino uno. Tegangan rekomendasi yang diberikan ke arduino uno berkisar antara 7 sampai 12 volt.

Pin-pin tegangan pada arduino uno adalah sebagai berikut:

a. Vin adalah pin untuk mengalirkan sumber tegangan ke arduino uno ketika menggunakan sumber daya eksternal (selain dari koneksi USB atau sumber daya yang teregulasi lainnya). Sumber tegangan juga dapat disediakan melalui pin ini jika sumber daya yang digunakan untuk arduino uno dialirkan melalui soket power.

b. 5V adalah pin yang menyediakan tegangan teregulasi sebesar 5 volt berasal dari regulator tegangan pada arduino uno.

c. 3V3 adalah pin yang meyediakan tegangan teregulasi sebesar 3,3 volt berasal dari regulator tegangan pada arduino uno.

(44)

BAB 3

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM

3.1 Jenis Penelitian

Berdasarkan rumusan masalah yang diajukan, penelitian ini menggunakan pendekatan eksperimen, karena data yang diperlukan bersifat data yang diambil langsung dari objek penelitian. Data dari variabel yang didapatkan akan dianalisis secara deskriptif kuantitatif, dan akan dijadikan sebagai bahan analisis sekaligus menjadi kesimpulan akhir penelitian.

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan mulai pada bulan Maret 2019 sampai dengan Juni 2019, dilaksanakan di Laboratorium Fisika Instrumentasi Lantai 2 Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Pengambilan data dilakukan pada waktu siang hari.

3.3 Diagram Blok Rangkaian

Tugas akhir ini sebagai pengganti sumber tegangan saat aliran listrik dari PLN terputus/padam. Tegangan dari aki 12 Volt dinaikkan menjadi 48 Volt dengan menseri accu tersebut. Kemudian dikonversi menjadi tegangan AC sebesar 300 watt dengan menggunakan trafo step up. Tegangan dari trafo ini nantinya diharapkan dapat digunakan untuk mensuplai beban pada barang elektronik.

Tegangan yang digunakan untuk mencharge aki berasal dari buck converter.

Untuk mengatur tegangan keluaran sistem tetap konstan maka didisain fix atau tetap yang digunakan untuk mengatur besarnya penyulutan pada IGBT pada buck converter. Kontrol dari mikrokontroller AT MEGA 328.

Adapun diagram blok dari sistem yang dirancang adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut.

(45)

PLN Switch Beban

Rectifier Buck

Converter Inverter Trafo Switch

Charger Accu

Mikrokontroller

Gambar 3.1 Blok diagram Keseluruhan

Berdasarkan Gambar 3.1. perencanaan dan pembuatan perangkat keras pada tugas akhir ini meliputi:

1. Perencanaan dan pembuatan rangkaian Rectifier

2. Perencanaan dan pembuatan rangkaian Buck Konverter

3. Perencanaan dan pembuatan Rangkaian Inverter 1 fasa

4. Perencanaan dan pembuatan rangkaian Trafo Step Up

3.4 Rangkaian Mikrokontroller ATMega328

Rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATMega328 dapat dilihat pada gambar 3.2 di bawah ini :

Gambar 3.2 Perancangan Mikrokontroler

Rangkaian tersebut berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC Mikrokontroler ATMega328. Semua program diisikan pada memori dari IC ini sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki.

(46)

Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja. Instruksi – instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program. Konsep inilah yang memungkinkan instruksi – instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock. 32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi pada ALU (Arithmatic Logic unit) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data Ketiga register pointer 16-bit ini disebut dengan register X (gabungan R26 dan R27), register Y (gabungan R28 dan R29), dan register Z (gabungan R30 dan R31).

3.5 Skema Rangkaian Baterai

Rangkaian ini berfungsi untuk menghasilkan tegangan pengecasan terhadap baterai. ICXL4015 bekerja menjaga tegangan konstan 14.1 volt untuk dapat mengisi baterai sampai penuh.

Gambar 3.3 Skema Rangkaian Charger

(47)

3.6 Rangkaian LCD

Gambar 3.4 Rangkaian Skematik LCD terhubung ke Arduino

Dari gambar 3.6, Rangkaian LCD dapat dengan mudah dihubungkan dengan mikrokontroler Arduino Uno. LCD yang digunakan dalam percobaan adalah LCD 2 x 16, lebar display 2 baris 16 kolom, yang mempunyai 16 pin konektor, sehingga hanya mampu menampilkan angka, huruf, dan simbol sebanyak 2 baris dan disetiap baris mampu menampilkan 16 karakter. Pin-pin pada LCD terhubung langsung ke pin-pin Arduino. Dimana pin VSS dan VDD pada LCD terhubung ke pin VCC dan GND Arduino, pin VEE terhubung ke resistor variabel untuk mengatur kecerahan LCD, pin RS terhubung ke pin 7, pin RW terhubung ke pin ground, pin E terhubung ke pin 6, kaki D4 dan D5 terhubung ke pin 5 dan 4, kaki D6 dan D7 terhubung ke pin 3 dan 8.

(48)

3.7 Rangkaian Power Charger

Rangkaian ini mengatur kegiatan pengecasan baterai untuk menjamin hasil pengecasan optimum dan menghentikan pengecasan jika baterai sudah penuh.

Gambar 3.5 Rangkaian Power Charger

(49)

3.8 Prosedur Penelitian

MULAI

STUDY PUSTAKA , PENGUMPULAN DAN PENGOLAHAN DATA

PERANCANGAN SPESIFIKASI TEKNIS

RANGKAIAN / ALAT

PEMBELIAN KOMPONEN DAN PEMBUATAN RANGKAIAN / ALAT

PENYUSUNAN LAPORAN

SELESAI

PROSES PENGUJIAN PENGUJIAN DAN ANALISA RANGKAIAN

ALAT

TIDAK YA

YA

Gambar 3.6 Diagram Prosedur Penelitian

Kegiatan penelitian diawali dengan studi pustaka, pengumpulan, dan pengolahan data. Kemudian dilanjutkan dengan kegiatan perancangan spesifikasi teknis rangkaian atau alat, pembelian komponen (spare-part), pembuatan rangkaian / alat, pengujian dan analisa rangkaian / alat, dan seterusnya, sampai dengan kegiatan penelitian ini benar-benar selesai (penulisan laporan penelitian).

(50)

BAB 4

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengujian Rectifier

Pengujian rectifier dilakukan dengan supply tegangan dari beberapa beban dengan menggunakan beban lampu terhubung secara parallel.

Vin (V) Beban Ket

15 35 watt Pada travo

14.00 Pada diode

16.5 Pada capacitor

Tabel 4.1 data hasil pengujian Rectifier Vout = √

= 13.8 x 1.4142 Vout = 15.76 volt

Gambar 4.1 Hardwar Rectifier

4.2 Pengujian Buck Converter

Pada pengujian buck konverter ini, pengujian dengan melakukan penyulutan driver (PWM) yang dibangkitkan dari mikrokontroler.

Vin (A) Vout (V) Beban

Pengecasan

20 14.1 

(51)

18 14.1 

16 14.1 

14 14.0 

12 13.9 

Tabel 4.2 data hasil pengujian Buck Converter

Gambar 4.2 Hardware Buck Konverter

4.3 Pengujian Boost Converter

Pada pengujian boost converter ini, pengujian dilakukan dengan menyulut driver (PWM) yang dibangkitkan dari mikrokontroler. Pada pengujian ini inputan inverter berasal dari rectifier yang atur sampai outputan yang diinginkan.

Vin (A) Vout (V) Beban

18 18.6 

16 18.5 

14 18.5 

12 18.4 

10 18.4 

Tabel 4.3 data hasil pengujian Boost Converter

4.4 Pengujian Trafo Step Up

Dalam pengujian kali ini, trafo dirancang secara step up dengan perbandingan 1 : 2. Dengan inputan sebesar 100 V dari outputan tegangan

(52)

inverter. Outputan dari trafo inilah yang nantinya akan terhubung dengan beban rumah tangga, atau bagian segmen trakhir dari perencanaan UPS

Tabel 4.5 data hasil pengujian Boost Converter