BAB II LANDASAN TEORI

(1)

5

2.1. Sel Surya (Solar Cell)

Sel surya atau biasa disebut solar cell adalah suatu elemen aktif yang terdiri

dari bahan semi konduktor positif (type-P) dan negatif (type-N) yang dapat mengubah cahaya matahari menjadi listrik. Apabila suatu cahaya jatuh pada

lapisan solar cell yang terdiri dari bahan semikonduktor type P dan type N, maka

pada kedua kutubnya timbul perbedaan tegangan arus searah (DC). 2.1.1. Sejarah Solar Cell

Prinsip dasar pembuatan solar cell adalah memanfaatkan efek fotovoltaik,

yaitu suatu efek yang dapat mengubah langsung cahaya matahari menjadi energi listrik. Prinsip ini pertama kali ditemukan oleh Becquerel, seorang ahli fisika berkebangsaan Perancis tahun 1839 yang saat itu teorinya belum begitu berkembang. Pada tahun-tahun berikutnya beberapa penelitian tentang foto voltaik ini berkembang terus, terutama sejak penemuan transistor pertama tahun 1947 yang mengganggap prinsip pembuatan transistor mirip dengan solar cell. Pada tahun1954, sel surya sudah mencapai efisiensi sampai 8%. Solar cell pertama kali diperuntukkan bagi satelit-satelit ruang angkasa, dengan keuntungan ringan, dapat diandalkan, tahan lama dan energi matahari di angkasa lebih besar dari bumi. 2.1.2. Prinsip Kerja Solar cell

Sel surya pada keadaan tanpa penyinaran, mirip seperti permukaan penyearah setengah gelombang dioda. Ketika sel surya mendapat sinar, akan mengalir arus konstan yang arahnya berlawanan dengan arus dioda.

Susunan sebuah sel surya, sama dengan sebuah dioda, terdiri dari dua lapisan yaitu lapisan semikonduktor type P dan lapisan semikonduktor type N.

Di dalam silikon type P terbentuk hole (pembawa muatan listrik positif) dalam jumlah yang sangat besar dibandingkan dengan elektronnya. Oleh karena

(2)

sedangkan elektron merupakan pembawa muatan minoritas. Sebaliknya, di dalam silikon jenis N terbentuk elektron dalam jumlah yang sangat besar sehingga

disebut pembawa muatan mayoritas, dan hole disebut pembawa muatan minoritas.

Gambar 2.1 Struktur Lapisan Solar Cell Secara Umum

Di dalam batang silikon itu terjadi pertemuan antara bagian P dan bagian

N yang dinamakan PN junction. Bila bagian P dihubungkan dengan kutub positif

dari sebuah baterai, dan kutub negatifnya dihubungkan dengan bagian N, maka

terjadi hubungan yang dinamakan "forward bias". Dalam keadaan forward bias,

di dalam rangkaian tersebut timbul arus listrik yang disebabkan oleh kedua

macam pembawa muatan. Jadi arus listrik yang mengalir di dalam PN junction

disebabkan oleh gerakan hole dan gerakan elektron. Arus listrik itu mengalir

searah dengan gerakan hole, tapi berlawanan arah dengan gerakan elektron.

Elektron yang bergerak di dalam bahan konduktor dapat menimbulkan energi listrik. Dan energi listrik inilah yang disebut sebagai arus listrik yang mengalir berlawanan arah dengan gerakan elektron.

Apabila bagian P dihubungkan dengan kutup negatif dari baterai dan bagian N dihubungkan dengan kutub positifnya, maka terbentuk hubungan yang

dinamakan "reverse bias". Dengan keadaan seperti ini, maka hole (pembawa

muatan positif) dapat tersambung langsung ke kutub positif, sedangkan elektron

juga langsung ke kutub positif. Jadi, di dalam PN junction tidak ada gerakan

pembawa muatan mayoritas baik yang hole maupun yang elektron. Sedangkan

(3)

mencapai kutub positif baterai. Demikian pula pembawa muatan minoritas (hole)

di dalam bagian N juga bergerak berusaha mencapai kutub negatif. Karena itu,

dalam keadaan reverse bias, di dalam PN junction ada juga arus yang timbul

meskipun dalam jumlah yang sangat kecil (mikro ampere). Arus ini sering disebut

dengan reverse saturation current atau leakage current (arus bocor).

Bila lapisan PN junction diberi energi (cahaya), pembawa muatan

minoritas di dalam PN junction bertambah banyak. Karena cahaya merupakan

salah satu bentuk energi, maka bila ada cahaya yang menimpa suatu PN junction

dapat juga menghasilkan energi yang cukup untuk menghasilkan pembawa muatan. Gejala seperti ini dinamakan fotokonduktif. Berdasarkan gejala

fotokonduktif maka dibuat komponen elektronik fotodioda dari PN junction.

Dalam keadaan reverse bias, dengan memperbesar intensitas cahaya yang

menimpa fotodioda dapat meningkatkan aras arus bocornya. Arus bocor dapat

juga diperbesar dengan memperbesar tegangan baterai (tegangan reverse), tapi

penambahan arus bocornya tidak signifikan. Bila baterai dalam rangkaian reverse bias dilepas dan diganti dengan beban tahanan, maka pemberian cahaya dapat menimbulkan pembawa muatan baik hole maupun elektron. Jika iluminasi cahaya ditingkatkan, ternyata arus yang timbul semakin besar. Gejala seperti ini

dinamakan photovoltaic. Cahaya dapat memberikan energi yang cukup besar

untuk memperbesar jumlah hole pada bagian P dan jumlah elektron pada bagian

N. Berdasarkan gejala photovoltaic ini maka dapat diciptakan komponen

elektronik photovoltaic cell. Karena biasanya matahari sebagai sumber cahaya,

maka photovoltaic cell sering juga disebut sel surya atau solar energy converter.

(4)

2.1.3. Jenis Solar cell

Ada beberapa jenis panel surya yang dijual dipasaran di Indonesia yaitu : 1. Monokristal (Mono-crystalline)

Merupakan panel yang paling efisien yang dihasilkan dengan teknologi terkini & menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Monokristal dirancang untuk penggunaan yang memerlukan konsumsi listrik besar pada tempat-tempat yang beriklim ekstrim dan dengan kondisi alam yang sangat ganas. Panel ini memiliki efisiensi 12-14%.Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.

Gambar 2.3 Mono-crystalline Solar Cell Panel

2. Polikristal (Poly-crystalline)

Merupakan panel surya yang memiliki susunan kristal acak karena dipabrikasi dengan proses pengecoran. Type ini memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama. Panel suraya jenis ini memiliki efisiensi lebih rendah dibandingkan type monokristal, berkisar 10-12%, sehingga memiliki harga yang cenderung lebih rendah.

(5)

Gambar 2.4 Poly-crystalline Solar Cell Panel

3. Thin Film Photovoltaic

Merupakan panel surya (dua lapisan) dengan struktur lapisan tipis mikrokristal-silicon dan amorphous dengan efisiensi sekitar 4-6%.

sehingga untuk luas permukaan yang diperlukan per watt daya yang

dihasilkan lebih besar daripada monokristal & polykristal. Inovasi terbaru

adalah Thin Film Triple Junction PV (dengan tiga lapisan) dapat berfungsi

sangat efisien dalam udara yang sangat berawan dan dapat menghasilkan daya listrik sampai 45% lebih tinggi dari panel jenis lain dengan daya yang ditera setara.

Gambar 2.5 Thin Film Photovoltaic

2.2. MIKROKONTROLER ATmega 8535

AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) merupakan seri mikrokontroler

CMOS 8-bit buatan Atmel yang diproduksi di Amerika Serikat, AVR merupakan

mikrokontroler yang berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer)

dan Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 Register General-Purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare,

(6)

dan mode power saving, dan beberapa diantaranya mempunyai ADC dan PWM

internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang

mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial ISP.

ATmega8535 adalah mikrokontroler CMOS 8-bit yang mempunyai daya-rendah berbasis arsitektur RISC yang ditingkatkan. Selain itu, ebanyakan instruksi dikerjakan pada satu siklus clock.

Beberapa kelebihan yang dimiliki AVR ATmega8535 antara lain:

1. Memiliki 130 macam intruksi

2. Memiliki 32 x 8 bit GPR (General PurposeRegisters)

3. Tedapat memori falsh yang terintegrasi dalam sistem, dapat diulang hingga

10000 kali

4. Memori sistem terprogram (ISP) 8Kbyte berjenis flash

5. Memiliki EEPROM 512 bit, penulisan dapat diulang hingga 100000 kali

6. Memiliki SRAM internal 512 bit

7. Memiliki kunci memori program untuk melindungi program

8. Terdapat dua buah pewaktu 8 bit timer/counter

9. Terdapat satu buah pewaktu 16 bit timer/counter

10. Memiliki RTC (real timer counter)

11. Terdapat empat channel PWM (Pulse Width Modulator)

12. Memiliki 10 bit ADC (Analog digitl converter)

13. Terdapat kanal UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

komunikasi serial

14. Memiliki pewaktu Watchdog

15. Terdapat master/slave SPI (Serial Peripheral Interface)

16. Memiliki komparator analog

17. Terdapat sumber penyela (interupsi) eksternal dan internal

18. Terdapat 32 jalur masukan dan keluaran (I/O) yang dapat diprogram

19. Jangkauan operasi tegangan antara 2,7 volt sampai dengan 5,5 volt

(7)

2.2.1. Konfigurasi Port Mikrokontroler ATmega8535

Konfigurasi dari ATmega8535 dapat dilihat pada gambar 2.3

Gambar 2.6 Kofigurasi Penyemat ATmega8535

Fungsi masing-masing penyemat adalah sebagai berikut

1. Penyemat 1-8 (PB0..PB7), merupakan port I/O 8-bit bi-directional

yang masing-masing pinnya dapat dikonfigursi secara individu. Masing-masing pin dalam port ini juga memiliki fasilitas berupa

resistor pull-up internal yang berfungsi untuk memberikan kondisi

tertentu (tidak mengambang) pada saat dikonfigurasi sebagai input,

tanpa harus memberikan pull-up eksternal. Apabila port B sebagai

keluaran, maka port B memiliki karakteristik drive simetrikal dengan

both high sink dan kemampuan sumber. Dan ketika port B digunakan sebagai input dan pull eksternal rendah, port B sebagai arus sumber jika pull-up resistor diaktifkan.

Pada pin Port B memiliki fungsi alternatif yang tunjukan pada tabel dibawah ini.

(8)

Tabel 2.1 Fungsi Alternatif Port B

Pin Port D Fungsi Alternatif

PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock)

PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output)

PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input)

PB4 SS (SPI Slave Select Input)

PB3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input)

OC0 (Timer/Counter0 Output Compare Match Output)

PB2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input)

INT2 (External Interrupt 2 Input)

PB1 T1 (Timer/Counter1 External Counter Input)

PB0 T0 (Timer/Counter0 External Counter Input)

XCK (USART External Clock Input/Output)

2. Penyemat 9 (Reset) merupakan masukan reset aktif tinggi. Pulsa

transisi dari rendah ke tinggi akan mereset mikrokontroler.

3. Penyemat 10 (VCC) merupakan catu daya untuk mikrokontroler

sebesar 5 volt.

4. Penyemat 11 (Ground) merupakan hubungan untuk pentanahan.

5. Penyemat 12 (XTAL2) merupakan penyemat keluaran dari penguat

osilator pembalik.

6. Penyemat 13 (XTAL1) merupakan penyemat masukan ke penguat

osilator pembalik dan masukan ke internal clock.

7. Penyemat 14-21 (PD0..PD7), merupakan port I/O 8-bit bi-directional

tertentu (tidak mengambang) pada saat dikonfigurasi sebagai input,

tanpa harus memberikan pull-up eksternal. Apabila port D sebagai

keluaran, maka port D memiliki karaktirstik drive simetrikal dengan

both high sink dan kemampuan sumber. Dan ketika port D digunakan

sebagai input dan pull eksternal rendah, port D sebagai arus sumber

(9)

Pada pin Port D memiliki fungsi alternatif yang ditunjukan pada tabel dibawah ini.

Tabel 2.5 Fungsi Alternatif Port D

Pin Port D Fungsi Alternatif

PD7 OC2 (Timer/Counter2 Output Compare Match

Output)

PD6 ICP1 (Timer/Counter1 Input Capture Pin)

PD5 OC1A (Timer/Counter1 Output Compare A

Match)

PD4 OC1B (Timer/Counter1 Output Compare B

Match Output)

PD3 INT1 (External Interrupt 1 Input)

PD2 INT0 (External Interrupt 0 Input)

PD1 TXD (USART Output Pin)

PD0 RXD (USART Input Pin)

8. Penyemat 22-29 (PC0..PC7), merupakan port I/O 8-bit bi-directional

tertentu (tidak ngambang) pada saat dikonfigurasi sebagai input, tanpa

harus memberikan pull-up eksternal. Apabila port C sebagai keluaran,

maka port C memiliki karaktirstik drive simetrikal dengan both high

sink dan kemampuan sumber. Dan ketika port C digunakan sebagai

input dan pull eksternal rendah, port C sebagai arus sumber jika

pull-up resistor diaktifkan.

Pada pin Port C memiliki fungsi alternatif yang ditunjukan pada tabel dibawah ini

Tabel 2.6 Fungsi Alternatif Port C

Pin Port C Fungsi Alternatif

PC7 TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2)

PC6 TOSC1 (Timer Oscillator Pin 1)

PC1 SDA (Two-wire Serial Bus Data Input/Output Line)

(10)

9. Penyemat 30 (AVCC) merupakan catu daya untuk Port A dan ADC. Apabila menggunakan ADC maka AVCC harus dihubungkan, tapi jika tidak menggunakan ADC maka AVCC tidak dihubngkan.

10. Penyemat 31 (Ground) merupakan hubungan untuk pentanahan.

11. Penyemat 32 (AREF) merupakan penyemat referensi analog untuk

ADC.

12. Penyemat 33-40 (PA7..PA0), merupakan port I/O 8-bit bi-directional

yang masing-masing pinnya dapat dikonfigursi secara individu,

apabila A/D Converter tidak digunakan. Masing-masing pin dalam

port ini juga memiliki fasilitas berupa resistor pull-up internal yang

berfungsi untuk memberikan kondisi tertentu (tidak mengambang)

pada saat dikonfigurasi sebagai input, tanpa harus memberikan pull-up

eksternal. Apabila port A sebagai keluaran, maka port A memiliki

karaktirstik drive simetrikal dengan both high sink dan kemampuan

sumber. Dan ketika port A digunakan sebagai input dan pull eksternal

rendah, port A sebagai arus sumber jika pull-up resistor diaktifkan.

Port A memiliki fungsi alternatif yaitu memiliki inputan analog untuk A/D Converter.

Tabel 2.7 Fungsi Alternatif Port A

Port A Fungsi Alternatif

PA7 ADC7 (ADC channel masukan 7)

2.2.2. Memori ATMega 8535

Asitektur ATMega 8535 memiliki dua ruang memori yaitu ruang data memori dan ruang program memori. Dan ditambah lagi yaitu memori EEPROM untuk menyimpan data.

(11)

Ketiga memori ini linier dan reguler. 1. Memori Program

ATmega8535 memliki kapasitas 8K byte On chip In system

programable flash memori untuk menyimpan program. Seperti semua

instruktur AVR yaitu 16 atau 32 bits wide. Flash dikelompokan

menjadi 4K x 16. untuk keamanan software, memori program flash

dibagi menjadi dua bagian yaitu boot program dan applikasi program.

Gambar 2.7 Peta Memori ATmega8535

2. Memori Data SRAM

Pada ATmega8535 memiliki 608 alamat lokasi data memori yang

digunakan untuk register file, memori I/O dan data internal SRAM.

Dari 608 alamat lokasi, dibagi lagi menjadi dua bagian yaitu 96 lokasi alamat register file dan memori I/O dan selebihnya yaitu 512 lokasi alamat data internal SRAM.

(12)

Gambar 2.8 SRAM dalam organisasi memori ATmega8535

Pengalamatan memori data mencakup lima mode pengalamatan, yaitu mode langsung, mode tidak langsung, mode tidak langsung dengan

penggeseran, mode tidak langsung dengan pre-decrement, dan mode

tidak langsung dengan post-increment. Seluruh register GPR (General

Purpose Register) dapat diakses menggunakan mode-mode pengalamatan tersebut.

3. EEPROM

ATmega8535 memiliki kapasitas EEPROM 512 byte. Untuk melakukan

akses antara PC dengan EEPROM , terdapat tiga register penting yang berhubungan dengan EEPROM. Register tersebut adalah EEARH dan

EEARL (EEPROM address register), EEDR (EEPROM Data

Register), dan EECR (EEPROM Control Register).

2.3. LDR (Light Dependent Resistor)

LDR atau Light Dependent Resistor adalah jenis resistor yang memiliki nilai

resistansi yang tidak tetap, berubah-ubah tergantung dari kuat lemahnya cahaya yang dia terima. Simbol LDR adalah seperti di bawah ini.

(13)

Gambar 2.9 Simbol LDR

LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Dengan

bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan.

Pada keadaan gelap tanpa cahaya sama sekali, LDR memiliki nilai resistansi yang besar. Nilai resistansinya ini akan semakin kecil jika cahaya yang jatuh ke permukaannya semakin terang. Pada keadaan terang, nilai resistansinya dapat

mengecil hingga beberapa ohm saja (hampir seperti konduktor). Dengan sifat

LDR yang demikian maka LDR biasa digunakan sebagai sensor cahaya. Karakteristik LDR terdiri dari dua macam yaitu:

1. Laju Recovery

2. Respon Spektral

2.3.1. Laju Recovery

Bila sebuah LDR dibawa dari suatu ruangan dengan level kekuatan cahaya tertentu kedalam suatu ruangan yang gelap sekali, maka bisa kita amati bahwa nilai resistansi dari LDR tidak akan segera berubah resistansinya pada keadaan ruangan gelap tersebut. Namun LDR tersebut hanya akan bisa mencapai harga

dikegelapan setelah mengalami selang waktu tertentu. Laju recovery merupakan

suatu ukuaran praktis dan suatu kenaikan nilai resistansi dalam waktu tertentu.

Harga ini ditulis dalam K

Ω

/detik. untuk LDR type arus harganya lebih besar dari

200 K

Ω

/detik (selama 20 menit pertama mulai dari level cahaya 100 lux),

kecepatan tersebut akan lebih tinggi pada arah sebaliknya, yaitu pindah dari tempat gelap ke tempat terang yang memerlukan waktu kurang dari 10 ms untuk mencapai resistansi yang sesuai dengan level cahaya 400 lux.

(14)

2.3.2. Respon Spektral

LDR tidak mempunyai sensitivitas yang sama untuk setiap panjang gelombang cahaya (warna) dan iluminasi (keterangan) yang jatuh padanya.

Dibawah ini merupakan karakteristik dari sensor LDR.

0,1 K 1 K 10 K 100 K Resista n si 10 L 100 L 1000 L Illuminasi LUX

Gambar 2.10 Karakteristik sensor LDR

Pada karakteristik diatas dapat dilihat respon spektral perubahan cahaya yang diterima oleh LDR. Apabila cahaya mengenai sensor itu maka harga tahanan akan berkurang. Perubahan yang dihasilkan ini tergantung dari bahan yang digunakan serta kekuatan cahaya yang mengenainya.

2.4. Motor DC

Motor merupakan perangkat elektromagnetik yang berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Prinsip kerja motor didasarkan pada induksi elektromagnetik. Teori dasar dari motor arus searah adalah apabila sebuah kawat berarus diletakkan antara kutub magnet (U-S), maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya elektromagnetik yang akan menggerakkan kawat itu.

Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan “kaidah tangan kiri” yang

berbunyi sebagai berikut:

Apabila tangan kiri terbuka diletakkan diantara kutub U dan S, sehingga garis-garis gaya yang keluar dari kutub Utara menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan arah keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan arah ibu jari.

(15)

Gambar 2.11 Kaidah tangan kiri

Bila hal diatas dijabarkan dalam rumus :

F = B.I.L ……….(2.1)

Dengan : F = Gaya Lorentz (Newton)

B = Kerapatan flux magnet (Weber/m2)

I = Arus listrik (Ampere)

L = Panjang sisi kumparan rotor (m)

Motor DC bekerja apabila diberi arus searah pada terminal masukannya. Arus ini akan menimbulkan induksi elektromagnetik yang menyebabkan poros motor berputar. Motor listrik terdiri dari :

1. Bagian yang tetap atau stasioner disebut stator. Stator ini menghasilkan

medan magnet yang dihasilkan dari kutub-kutub magnet. Kutub-kutub magnet ada yang berasal dari magnet permanen, akan tetapi kenyataannya, kutub magnet yang digunakan biasanya merupakan magnet buatan yang dibuat dengan prinsip elektromagnetisme.

2. Bagian yang berputar disebut rotor. Bagian ini berupa jangkar beserta

lilitannya sebagai tempat terbentuknya GGL induksi.

Dalam perputaran mesin DC tersebut terjadi Gaya Gerak Listrik (GGL). Proses terjadi GGL-nya adalah sebagai berikut:

1. Kumparan jangkar (terletak diantara kutub-kutub magnet) diberi sumber arus

searah.

2. Pada kumparan-kumparan jangkar timbul torsi, sehingga jangkar berputar

(16)

3. Dalam hal ini jangkar berputar dalam medan magnet sehingga timbul GGL (arah GGL induksi tersebut sesuai dengan hukum tangan kanan).

4. Arah GGL induksi tersebut berlawanan dengan arah GGL sumber sehingga

kita sebut GGL lawan.

Jadi GGL lawan pada motor arus searah adalah GGL yang terjadi pada jangkar motor arus searah (pada waktu motor dioperasikan atau berputar, yang disebabkan karena jangkar-jangkar tersebut berputar dalam medan magnet.

2.5. Inverter

Inverter adalah sebuah rangkaian elektronika yang digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Prinsip kerja dari sebuah inverter

adalah dengan menggabungkan sebuah rangkaian multivibrator yang dihubungkan

dengan sebuah transformator penaik tegangan (Step Up). Inverter dapat digunakan

untuk mensuplai beban dengan tegangan AC dengan daya yang disesuaikan dengan daya tegangan DC yang tersedia.

Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar

seperti ditunjukkan pada Gambar 2.12 . Bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri.

(17)

Inverter yang digunakan pada tugas akhir ini adalah inverter yang dapat mengubah tegangan 12 VDC menjadi tegangan 220 VAC.