PENGUJIAN POWER UNIT DC 380 VOLT 500 WATT
MEMANFAATKAN ARDUINO DENGAN KOMPUTER PC DAN PLX-DAQ SEBAGAI DATA LOGGER
SKRIPSI
SHERLY VEBRIN SITEPU 170821038
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
PENGUJIAN POWER UNIT DC 380 VOLT 500 WATT
MEMANFAATKAN ARDUINO DENGAN KOMPUTER PC DAN PLX-DAQ SEBAGAI DATA LOGGER
SKRIPSI
Diajukan Untuk Melengkapi Tugas dan Memenuhi Syarat Mencapai Gelar Sarjana Sains
SHERLY VEBRIN SITEPU 170821038
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2019
PERSETUJUAN
Judul : Pengujian Power Unit DC 380 Volt 500 Watt MemanfaatkanArduinoDenganKomputer PC dan PLX-DAQ Sebagai Data Logger
Kategori : Skripsi
Nama : SherlyVebrinSitepu
NomorIndukMahasiswa : 170821038
Program Studi : S-1 EkstensiFisika
Departemen : Fisika
Fakultas : MatematikadanIlmuPengetahuanAlam (MIPA) Universitas Sumatera Utara
Disetujuioleh
Pembimbing 1 Pembimbing 2
Drs. KurniaBrahmana, M.Si Drs. HerliGinting, MS
NIP.196009201986011001 NIP. 195505191986011001
KetuaDepartemenFisika FMIPA USU
Dr. PerdinanSinuhaji, MS NIP. 195903101987031002
PERNYATAAN
PENGUJIAN POWER UNIT DC 380 VOLT 500 WATT
MEMANFAATKAN ARDUINO DENGAN KOMPUTER PC DAN PLX-DAQ SEBAGAI DATA LOGGER
SKRIPSI
Saya mengaku bahwa skripsi ini adalah hasil kerja saya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Juli 2019
Sherly Vebrin Sitepu 170821038
PENGHARGAAN
Puji syukur saya ucapkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas segala karuniaNya yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan Skripsi ini dengan baik.
Dalam kesempatan ini penulis menyampaikan rasa hormat ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya pada keluarga tercinta yang telah mendukung saya untuk dapat menyelesaikan segala sesuatunya dengan baik, terima kasih kepada Ayah (H. Sitepu ) dan Ibu (I. Ginting ) atas kasih sayang dan kepercayaan yang telah kalian berikan kepada anak kalian ini, serta adik perempuan (Jesica) terima kasih buat dukungannya.Doa dan motivasi yang diberikan dari awal perkuliahan sampai penulisan Skripsi ini serta buat seluruh keluarga yang telah membantu, mendukung dan memberikan kelonggaran serta support terhadap pendidikan saya hingga bisa berkembang seperti sekarang.
Penulis juga rasa hormat ucapan terima kasih dan menyampaikan penghargaan kepada :
1. Yth. Bapak Dekan Dr. Kerista Sebayang beserta jajarannya dilingkungan FMIPA USU
2. Bapak Dr. Perdinan Sinuhaji, MS selaku Ketua Departemen Fisika Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam USU.
3. Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si selaku dosen pembimbing 1 penulis dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis sangat berterima kasih untuk setiap bimbingan, masukan, saran bahkan waktu yang senantiasa diberikan kepada penulis sampai pada akhir penyelesaian skripsi ini.
4. Bapak Drs. Herli Ginting, MS selaku dosen pembimbing 2 penulis dalam penyelesaian skripsi ini. Penulis sangat berterima kasih untuk setiap bimbingan, masukan, saran bahkan waktu yang senantiasa diberikan kepada penulis sampai pada akhir penyelesaian skripsi ini.
5. Seluruh dosen dan karyawan Program Studi S-1 Ekstensi Fisika Departemen FISIKA FMIPA USU.
6. Kepada Reymindo Yoenddy yang sudah membantu dan memotivasi saya sehingga saya dapat menyelesaikan skripsi ini.
7. Kepada teman-teman seperjuangan di S-1 Fisika Ekstensi atas dorongan kesabaran kalian untuk mengajari teman kalian ini.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam pembuatan skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bersifat membangun dalam penyempurnaan skripsi ini.
Semoga laporan skripsi ini menjadi ibadah yang baik bagi penulis dan menjadi ilmu yang bermanfaat bagi pembaca.
Medan, Juli 2019 Penulis,
Sherly Vebrin Sitepu
PENGUJIAN POWER UNIT DC 380 VOLT 500 WATT
MEMANFAATKAN ARDUINO DENGAN KOMPUTER PC DAN PLX-DAQ SEBAGAI DATA LOGGER
ABSTRAK
Pengujian power unit DC ini bertujuan untuk menguji power unit DC yang akan digunakan melakukan suatu praktikum elektronika. Pengujian pada power unit ini untuk mengetahui apakah power unit yang akan digunakan dapat berfungsi dengan baik atau tidak. Pengujian yang dilakukan pada power unit juga untuk menghindari kerusakan pada peralatan – peralatan listrik yang akan digunakan pada suatu praktikum. Pengujian power unit ini dilakukan dengan memanfaatkan plx-daq sebagai data logger, data yang dikeluarkan pada saat pengujian juga dapat berupa plx-daq .Pengujian ini dilakukan pada osilator dan trafo. Cara pengujiannya dengan cara memasukkan nilai tegangan inputnya dan memasukkan nilai frekuensi maka akan menghasilkan nilai tegangan outputnya. Contohnya pengujian yang dilakukan pada osilator dengan tegangan input 5,1 Volt dengan frekuensi 60.000 Hertz menghasilkan tegangan output sebesar 5,1 Volt.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa hasil pada tegangan input dan tegangan output tidak terlalu berpengaruh pada jumlah frekuensi , hasil tegangan input dan tegangan outputnya kontsan atau stabil.
Kata Kunci: Power Unit , DC (Direct Current), PLX-DAQ
TESTING A 500 WATT DC 380 VOLT POWER UNIT UTILIZING ARDUINO WITH A PC COMPUTER AND PLX-DAQ AS A DATA
LOGGER
ABSTRACT
The testing of DC power unit was aimed to test the DC power unit that will be used when doing an electronic practicum. Testing on this power unit to find out whether the power unit to be used can function properly or not. Testing conducted on the power unit also to avoid electrical equipment damage that will be used in a practicum. This power unit test was done by using plx-daq as a data logger, the data released at the time of testing can also be in the form of plx-daq. The testing was done on the oscillator and transformer. The procedure of the test by entering the input voltage value and entering the frequency value would produce the output voltage value. For example, testing carried out on an oscillator with an input voltage of 5.1 volts with a frequency of 60,000 Hertz produced an output voltage of 5.1 volts. So it can be concluded that the results on the input voltage and output voltage did not really affect the number of frequencies, the results of the input voltage and output voltage were constant or stable.
Keywords: Power Unit, DC (Direct Current), PLX-DAQ
DAFTAR ISI
Halaman
PERSETUJUAN i
PERNYATAAN ii
PENGHARGAAN iii
ABSTRAK v
ABSTRACT vi
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL ix
DAFTAR GAMBAR x
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 2
1.3 Batasan Masalah 3
1.4 Tujuan Penelitian 3
1.5 Manfaat Penelitian 3
1.6 Sistematika Penelitian 3
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 4
2.1 DC ( Direct Current) 4
2.2 Power Unit DC 5
2.2.1 Klasifikasi Umum Power Supply 8
2.2.2 Jenis – jenis Power Supply 9
2.2.3 Komponen Power Unit / Power Supply 11 2.2.4 Cara Kerja Power Unit / Power Supply 12
2.3 Tegangan DC 12
2.4 Tegangan 380V DC 15
2.5 Beban 18
2.6 Mikrokontroller 19
2.7 Mikrokontroller ATMEGA328 24
2.7.1 Pin Masukan dan Keluaran 28
2.7.2 Sumber Daya dan Pin Tegangan 29
2.7.3 ARDUINO IDE 30
2.8 Arduino Uno 31
2.8.1 Software Arduino UNO 35
2.8.2 Hardware Arduino UNO 36
2.9 Sensor ACS712 37
2.10 Baterai 39
2.11 Komputer PC 41
2.12 PLX-DAQ 42
2.13 Data Logger 43
BAB 3 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 45
3.1 Jenis Penelitian 45
3.2 Waktu dan Tempat Penelitian 45
3.3 Diagram Blok Rangkaian 45
3.3.1 Fungsi – fungsi Diagram Blok 46
3.4 Perancangan Rangkaian Mikrokontroller 46
3.5 Rangkaian LCD 47
3.6 Prosedur Penelitian 48
3.7 Diagram Alir (Flowchart) 49
3.8 Rangkaian Skematik Lengkap 50
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 51
4.1 Hasil Pengujian Rangkaian Mikrokontroller ATMEGA328 51
4.2 Hasil Pengujian Pada Osilator 52
4.3 Hasil Pengujian Pada Trafo 54
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 56
5.1 Kesimpulan 56
5.2 Saran 56
DAFTAR PUSTAKA 57
LAMPIRAN 59
DAFTAR TABEL
No. Tabel Judul Halaman
2.1 Perbandingan Parameter Jaringan Listrik DC sebagai Input
untuk standarisasi 15
2.2 Perbandingan Efisiensi Lima Sistem Distribusi Pada Beban
50% 17
2.3 Deskripsi Arduino Uno 34
2.4 Spesifikasi ACS712 38
4.1 Pengujian Pin Mikrokontroller ATMEGA 328 52
4.2 Pengujian Pada Osilator 52
4.3 Pengujian Pada Trafo 54
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar Judul Halaman
2.1 Gelombang Sinyal DC dan AC 7
2.2 Segitiga Daya 13
2.3 Rangkaian Pembagi Tegangan 14
2.4 Arsitektur Distribusi Daya 380V DC 16
2.5 Blok Diagram Mikrokontroller 20
2.6 Chip Mikrokontroller 20
2.7 Konfigurasi Arduino Uno 25
2.8 Pin Mikrokontroller ATMEGA 328 26
2.9 Logo Arduino 30
2.10 Tampilan Arduino IDE 30
2.11 Arduino Uno 32
2.12 Papan Arduino Uno 33
2.13 Sensor Arus ACS712 37
2.14 Contoh PLX-DAQ 43
3.1 Blok Diagram 45
3.2 Perancangan Rangkaian Mikrokontroller 46
3.3 Rangkaian Skematik LCD terhubung ke Arduino 47
3.4 Diagram Prosedur Penelitian 48
3.5 Diagram Alir / Flowchart 49
3.6 Rangkaian Skematik Lengkap 50
4.1 Pengujian Mikrokontroller 51
4.2 Pengujian Pada Osilator 53
4.3 Pengujian Pada Output Setelah Penyearah 55
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Power unit DC merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak – balik menjadi arus listrik searah. Power unit menjadi bagian yang paling penting dalam dunia elektronika yang berfungsi sebagai sumber tenaga listrik.
Power unit juga dapat digunakan sebagai perangkat yang memasok energi listrik untuksatu atau lebih beban listrik.[1]
Tegangan searah atau DC banyak dipergunakan didalam dunia industri, bukan hanya sebagai sumber daya listrik motor DC, tetapi juga banyak untuk aplikasi yang lain. Biasanya tegangan DC ini didapat dari tegangan AC yang disearahkan dengan komponen semikonduktor seperti dioda, mosfet, dll. Tegangan DC ini tidak hanya harus tersaring dengan bersih tetapi juga teregulasi dengan baik. Kalau sumber arus searah ini dibebani maka tegangan outputnya akan berubah.[2]
Catu daya atau (power supply) merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah. Perangkat elektronika dicatu oleh suplai arus searah DC (Direct Current) yang stabil agar dapat stabil dengan baik. Catu daya menjadi bagian yang penting dalam dunia elektonika yang berfungsi sebagai sumber tenaga listrik. Semua peralatan elektronika menggunakan sumber tenaga untuk beroperasi ,sumber tenaga tersebut bermacam-macam ada yang dari baterai, ada juga yang langsung menggunakan tegangan listrik PLN. Untuk konsumsi tegangan yang berasal dari Tegangan listrik untuk alat-alat elektronika tertentu tidak bisa langsung dikonsumsi akan tetapi harus disesuaikan dengan tegangan yang diperlukan oleh peralatan tersebut.Penyesuaian tegangan ini dilakukan oleh sebuah alat yng dinamakan Power Supply atau adaptor.[3]
Arus listrik DC (Direct current) merupakan arus listrik searah. Pada awalnya aliran arus pada listrik DC dikatakan mengalir dari ujung positif menuju ujung negatif. Semakin kesini pengamatan-pengamatan yang dilakukan oleh para ahli menunjukkan bahwa pada arus searah merupakan arus yang alirannya dari negatif (elektron) menuju kutub positif. Listrik DC (direct current) biasanya digunakan oleh perangkat elektronika. Meskipun ada sebagian beban selain perangkat elektronika yang menggunakan arus DC (contohnya; Motor listrik DC) namun kebanyakan arus
DC digunakan untuk keperluan beban elektronika. Beberapa beban elektronika yang menggunakan arus listrik DC diantaranya: Lampu LED (Light Emiting Diode), Komputer, Laptop, TV, Radio, dan masih banyak lagi. Selain itu listrik DC juga sering disimpan dalam suatu baterai, contohnya saja baterai yang digunakan untuk menghidupkan jam dinding, mainan mobil-mobilan dan masih banyak lagi. Intinya kebanyakan perangkat yang menggunakan listrik DC merupakan beban perangkat elektronika.[4]
Salah satu teknologi yang populer adalah mikrokontroller yang sering disematkan di peralatan canggih sebagai pengendali kerja.Mikrikontroller adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Didalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program atau keduanya), dan perlengkapan input output. Mikrokontroller adalah salah satu dari bagian dasar dari sistem komputer.[5]
Baterai adalah sumber catu daya DC yang paling baik namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (Alternating Current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus bolak balik menjadi arus searah.[6]
Oleh karena itu , penulis ingin merancang suatu alat pengujian Power Unit DC 380 V 500W dengan memanfaatkan komputer PC dan PLX-DAQ sebagai data logger yang betujuan untuk mendapatkan suatu sistm akuisisi data yang baik untuk keperluan penelitian di laboratorium.
1.2 Rumusan Masalah
1. Pengambilan data secara digital dan terakumulasi ke computer dengan cara interfacing merupakan suatu kebutuhan yang sangat mendasar pada setiap penelitian, terutama untuk mendapatkan data untuk keperluan menggambarkan grafik atau laju pengukuran.
2. Pengambilan data menggunakan PLX-DAQ sudah umum digunakan dalam berbagai hal namun masih banyak kesulitan dalam interfacing terutama pada peralatan yang berfrekuensi tinggi.
3. PLX-DAQ dapat bergabung dengan berbagai mikrokontroller sehingga membentuk system akuisisi data yang baik untuk keperluan penelitian.
1.3 Batasan Masalah
1.Sensor arus yang digunakan adalah type ACS712 30 Ampere 2. Sensor tegangan menggunakan resistor metal oxide
3. Interfacing ke computer dilakukan dengan menggunakan ATMega328
1.4 Tujuan Penelitian
1. Mendapatkan satu system akuisisi data yang baik untuk keperluan penelitian di laboratorium.
2. PLX-DAQ dibentuk dalam open source sehingga dapat dengan mudah diedit oleh asisten laboratorium untuk menyesuaikan variable dengan kebutuhan laboratorium.
1.5 Manfaat Penelitian
1. Dapat digunakan sebagai alat bantu di laboratorium, terutama dalam praktikum power back up
2. Osilator dengan PWM ini dapat merupakan cikal bakal pembuatan DDS (Direct Digital Signal) yang sangat diperlukan pada radio komunikasi AM, FM, maupun SSB.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman, penulis membuat sistematika penulisan bagaimana sebenarnya prinsip kerja dari pengujian power unit dc 380 volt 500 watt memanfaatkan arduino dengan komputer pc dan plx-daq sebagai data logger, maka penulis menulis skripsi dengan urutan sistematika laporan ini sebagai berikut :
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 power unit ( power supply) , arduino , DC 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.
DAFTAR PUSTAKA
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
Catu daya atau (power supply) merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah. Perangkat elektronika dicatu oleh suplai arus searah DC (Direct Current) yang stabil agar dapat stabil dengan baik. Catu daya menjadi bagian yang penting dalam dunia elektonika yang berfungsi sebagai sumber tenaga listrik. Semua peralatan elektronika menggunakan sumber tenaga untuk beroperasi ,sumber tenaga tersebut bermacam-macam ada yang dari baterai, ada juga yang langsung menggunakan tegangan listrik PLN. Untuk konsumsi tegangan yang berasal dari Tegangan listrik untuk alat-alat elektronika tertentu tidak bisa langsung dikonsumsi akan tetapi harus disesuaikan dengan tegangan yang diperlukan oleh peralatan tersebut.Penyesuaian tegangan ini dilakukan oleh sebuah alat yng dinamakan Power Supply atau adaptor.[3]
Perkembangan zaman yang semakin cepat dan dinamis menuntut manusia untuk hidup serba cepat dan efisien, terutama dalam hal pemenuhan kebutuhan sehari-hari. Alat-alat yang serba modern pun digunakan agar semua kebutuhan terpenuhi, seperti halnya mesin cuci, kulkas, strika, kompor listrik, oven dan lain sebagainya. Alat-alat modern tersebut tentunya membutuhkan energi listrik.[7]
2.1 Direct Current (DC)
Arus listrik DC (Direct current) merupakan arus listrik searah. Pada awalnya aliran arus pada listrik DC dikatakan mengalir dari ujung positif menuju ujung negatif. Semakin kesini pengamatan-pengamatan yang dilakukan oleh para ahli menunjukkan bahwa pada arus searah merupakan arus yang alirannya dari negatif (elektron) menuju kutub positif. Listrik DC (direct current) biasanya digunakan oleh perangkat elektronika. Meskipun ada sebagian beban selain perangkat elektronika yang menggunakan arus DC (contohnya; Motor listrik DC) namun kebanyakan arus DC digunakan untuk keperluan beban elektronika. Beberapa beban elektronika yang menggunakan arus listrik DC diantaranya: Lampu LED (Light Emiting Diode), Komputer, Laptop, TV, Radio, dan masih banyak lagi. Selain itu listrik DC juga sering disimpan dalam suatu baterai, contohnya saja baterai yang digunakan untuk menghidupkan jam dinding, mainan mobil-mobilan dan masih banyak lagi. Intinya
kebanyakan perangkat yang menggunakan listrik DC merupakan beban perangkat elektronika.[4]
2.2 Power Unit DC
Power Unit atau Catu daya (power supply) merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah.
Perangkat elektronika dicatu oleh suplai arus searah DC (Direct Current) yang stabil agar dapat stabil dengan baik. Catu daya menjadi bagian yang penting dalam dunia elektonika yang berfungsi sebagai sumber tenaga listrik. Semua peralatan elektronika menggunakan sumber tenaga untuk beroperasi ,sumber tenaga tersebut bermacam- macam ada yang dari baterai, ada juga yang langsung menggunakan tegangan listrik PLN. Untuk konsumsi tegangan yang berasal dari Tegangan listrik untuk alat-alat elektronika tertentu tidak bisa langsung dikonsumsi akan tetapi harus disesuaikan dengan tegangan yang diperlukan oleh peralatan tersebut.Penyesuaian tegangan ini dilakukan oleh sebuah alat yng dinamakan Power Supply atau adaptor.[3]
Power Supply atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan Catu Daya adalah suatu alat listrik yang dapat menyediakan energi listrik untuk perangkat listrik ataupun elektronika lainnya. Pada dasarnya Power Supply atau Catu daya ini memerlukan sumber energi listrik yang kemudian mengubahnya menjadi energi listrik yang dibutuhkan oleh perangkat elektronika lainnya. Oleh karena itu, Power Supply kadang-kadang disebut juga dengan istilah Electric Power Converter.
Power Unit atau Catu daya DC merupakan suatu rangkaian elektronik yang mengubah arus listrik bolak-balik menjadi arus listrik searah. Catu daya menjadi bagian yang penting dalam dunia elektronika yang berfungsi sebagai sumber tenaga listrik. Catu daya juga dapat digunakan sebagai perangkat yang memasok energi listrik untuk satu atau lebih beban listrik.Catu daya merupakan bagian terpenting dalam elektronika yang memiliki fungsi sebagai sumber tenaga listrik. Secara umum prinsip rangkaian catu daya terdiri atas komponen utama yaitu transformator, dioda dan kondensator. Dalam pembuatan rangkaian catu daya, selain menggunakan komponen utama juga diperlukan komponen pendukung agar rangkaian tersebut dapat berfungsi dengan baik. Komponen Pendukung tersebut antara lain : sakelar, sekring, jack dan plug, Printed Circuit Board (PCB) dan kabel. Baik komponen
utama maupun komponen pendukung sama-sama berperan penting dalam rangkaian catu daya.
Untuk menggunakan catu daya, kita harus menyesuaikan tegangan keluarannya dengan tegangan yang dibutuhkan oleh beban. Umumnya catu daya yang dijual dipasaran menghasilkan keluaran tegangan yang tidak stabil dan pengubahan nilai tegangan keluaran tidak dapat dilakukan dengan mudah, sehingga dibutuhkan sebuah catu daya yang bisa diprogram secara digital, tegangan keluaran yang dihasilkan dapat sesuai dengan tegangan masukan yang diinginkan, dan ditampilkan ke tampilan LCD (Display).
Catu daya adalah sebuah perangkat yang memasok listrik energi untuk satu atau lebih beban listrik. Pada dasarnya ctu daya ini mempunyai konstruksi rangkaian yang hampir sama yaitu terdiri dari trafo, penyearah, dan penghalus tegangan. Istilah ini paling sering diterapkan ke perangkat yang mengubah satu bentuk energi listrik yang lain, meskipun juga dapat merujuk ke perangkat yang mengkonversi bentuk energi lain (misalnya, mekanik, kimia, solar) menjadi energi listrik.
Gambar 2.1 Gelombang Sinyal DC dan AC
Pada gambar 2.1 menunjukkan perbedaan antara tegangan (a) DC dan (b) AC. Sumber DC yang disearahkan dari sumber AC dengan menggunakan rangkaian penyearah yang dibentuk dari dioda. Ada dua sumber catu daya yaitu sumber AC dan sumber DC. Sumber AC yaitu sumber tegangan bolak– balik, sedangkan sumber tegangan DC merupakan sumber tegangan searah.
Ada dua macam catu daya, yaitu catu daya tegangan tetap dan catu daya variable. Catu daya tegangan tetap adalah catu daya yang tegangan keluarannya tetap dan tidak bisa diatur, sedangkan catu daya variable merupakan catu daya yang
tegangan keluarannya dapat diubah atau diatur. Catu daya yang baik selalu dilengkapi dengan regulator tegangan, adapun tujuan pemasangan regulator tegangan pada catu daya adalah untuk menstabilkan tegangan keluaran apabila terjadi perubahan tegangan masukan pada catu daya. Fungsi lain dari regulator tegangan adalah untuk perlindungan dari terjadinya hubung singkat pada beban.
2.2.1 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.
i. Regulated Power Supply adalah Power Supply yang dapat menjaga kestabilan tegangan dan arus listrik meskipun terdapat perubahaan atau variasi pada beban atau sumber listrik (Tegangan dan Arus Input).
ii. Unregulated Power Supply adalah Power Supply tegangan ataupun arus listriknya dapat berubah ketika beban berubah atau sumber listriknya mengalami perubahan.
iii. 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.
2.2.2 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 Supply, High Voltage Power Supply. Berikut ini adalah penjelasan singkat mengenai jenis- jenis Power Supply.
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 :
- 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).
- 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 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.
2.2.3 Komponen Power Unit / Power Supply
Mengacu pada pengertian power supply, perangkat keras ini berfungsi mengubah arus AC menjadi arus DC dan menyalurkannya ke berbagai komponen komputer di dalam chasing. Untuk membentuk tegangan maka dibutuhkan beberapa komponen, adapun komponen power supply adalah sebagai berikut:
1. Transformator
Ini merupakan komponen di dalam pada Power Supply yang digunakan untuk memindahkan tenaga listrik antar dua rangkaian listrik atau lebih melalui induksi elektromagnetik.
2. Dioda
Ini adalah gabungan dari dua kata elektroda, yaitu anoda dan katoda. Sifat dari dioda yaitu menghantarkan arus pada tegangan maju dan menghambat arus pada aliran tegangan balik.
3. Kapasitor
Kapasitor berfungsi sebagai penyempurna penyerahan dari tegangan arus AC ke tegangan arus DC.
4. Resistor
Resistor adalah perangkat yang membantu Power Supply dalam menurunkan tegangan, membagi tegangan, dan membatasi arus listrik yang masuk, sehingga akan dapat mengontrol perangkat-perangkat keras yang ada pada motherboard.
5. IC regulator
IC Regulator berfungsi untuk mengatur tegangan pada rangkaian elektronika selalu tetap stabil.
6. LED
LED pada Power Supply adalah komponen sejenis diode semikonduktor yang memiliki keistimewaan.[8]
2.2.4 Cara Kerja Power Unit / Power Supply
Ketika pengguna menyalakan power pada komputer, maka power supply akan melakukan pemeriksaan dan tes sebelum menjalakan sistem komputer. Jika tes berjalan dengan baik maka power supply akan mengirim sinyal (power good) ke mainboard sebagai pertanda bahwa sistem komputer siap untuk beroperasi.Selanjutnya, power supply atau catu daya akan membagi daya sesuai dengan kapasitas yang diperlukan masing-masing komponen komputer. Selain menyalurkan daya listrik ke komponen komputer, power supply juga menjaga stabilitas arus listrik pada berbagai komponen tersebut.
Dari penjelasan pengertian power supply dan fungsinya di atas, maka komponen ini sama pentingnya seperti CPU pada komputer yang seringkali dianggap sebagai otak komputer. Jika terjadi gangguan pada power supply, maka akan menyebabkan gangguan aliran daya pada komponen-komponen komputer.[8]
2.3 Tegangan DC
Tegangan searah atau DC banyak dipergunakan didalam dunia industri, bukan hanya sebagai sumber daya listrik motor DC, tetapi juga banyak untuk aplikasi yang lain. Biasanya tegangan DC ini didapat dari tegangan AC yang disearahkan dengan komponen semikonduktor seperti dioda, mosfet, dll. Tegangan DC ini tidak hanya harus tersaring dengan bersih tetapi juga teregulasi dengan baik. Kalau sumber arus searah ini dibebani maka tegangan outputnya akan berubah.[2]
Perubahan ini juga disebabkan oleh perubahan tegangan sumber. Perubahan ini tentunya tidak diinginkan, karena akan mengurangi unjuk kerja dari peralatan yang kita pasang. Maka diperlukannya suatu pengendalian tegangan dc, sehingga peralatan yang kita pasang bekerja sesuai dengan kemampuannya. Berdasarkan ide yang membutuhkan tegangan konstan maka dibuatlah suatu alat yang bisa menjaga tegangan konstan. Tegangan DC keluaran dari konverter harus dinaikkan terlebih dahulu untuk meningkatkan efisiensi dan meningkatkan rasio konversi.[9]
Penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC lebih jarang diterapkan daripada penyaluran tenaga listrik dengan tegangan AC. Namun demikian, penyaluran tenaga listrik dengan tegangan DC memiliki sejumlah keuntungan dibandingkan dengan tegangan AC. Keuntungan-keuntungan tersebut diantaranya:
1. Dengan tegangan puncak dan rugi daya yang sama, kapasitas penyaluran dengan sistem DC lebih besar daripada dengan sistem AC.
2. Isolasi sistem DC lebih sederhana daripada sistem AC.
3. Efisiensi (daya yang terpakai) lebih besar karena faktor daya pada sistem DC
= 1, sedangkan faktor daya pada sistem AC belum tentu 1, biasanya kurang dari 1 yang menyebabkaan tidak semua daya total menjadi daya aktif.
Gambar 2.2 menjelaskan tentang faktor daya .
Gambar 2.2 Segitiga Daya
Nilai faktor daya seperti yang digambarkan oleh segitiga daya pada Gambar 2.2 adalah:
(2.1)
Pada sistem DC, karena tidak ada daya reaktif (Q), sudut faktor dayanya bernilai 0.
Dengan demikian nilai faktor dayanya adalah: cos 0 0 = 1 atau P/ S= 1 atau total daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi daya aktif.
Sedangkan pada sistem AC, cos φ dapat bernilai kurang dari 1 diakibatkan terdapatnya daya reaktif (Q) yang salah satunya dapat ditimbulkan oleh beban yang bersifat induktif (lagging). Misalnya sudut faktor daya 37o, maka : Cos 37o=0,8 =P/S Karena P/S< 1 , maka tidak seluruh daya yang dihasilkan (daya semu) menjadi daya aktif. Terdapat daya reaktif yang dihasilkan yaitu sebesar: Q = S . Sin 37= 0.6 S.
4. Tidak ada persoalan frekuensi pada penyaluran jarak jauh menggunakan sistem DC.
5. Penerapan sistem DC dapat mengurangi fluktuasi tegangan pada beban-beban pengguna sehingga tegangan yang disuplai ke beban pengguna hampir dapat dijaga konstan.
6. Dengan rugi korona yang sama dan tingkat gangguan radio (radio interference) tertentu, tegangan DC dapat dinaikkan lebih tinggi daripada tegangan AC.
7. Lebih rendah biaya saluran udara (overhead line) atau biaya saluran kabel bawah tanah (underground) atau biaya kabel bawah laut (submarine) serta tidak memerlukan kapasitor seri atau shunt.
Karena adanya keuntungan-keuntungan pada penyaluran dengan tegangan DC, maka penggunaan sistem DC mulai diminati kembali pada tahun 1930-an.
Selain memiliki keuntungan, sistem distribusi DC juga memiliki kekurangan.
Kekurangan tersebut diantaranya:
1. Konversi tegangan dari satu level DC ke level DC lain lebih sulit daripada konversi AC-AC.
2. Untuk sistem DC tegangan sangat rendah, besar jatuh tegangan meningkat sehingga memberikan peningkatan rugi daya.
3. Lebih sulit memutuskan (interruption) arus DC disebabkan tidak adanya pemotongan di titik nol (zero-crossing) pada gelombang DC.
4. Karena tidak adanya tegangan induktansi diri, batasan arus hubung singkat pada rangkaian DC lebih sulit ditentukan daripada rangkaian AC.[10]
Chopper DC dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC, yang biasanya tidak teregulasi, menjadi tegangan keluaran DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pulse-width modulation pada frekuensi tetap dan devais pensaklaran biasanya memiliki BJT, MOSFET, atau IGBT. [11]
Gambar 2.3 Rangkaian Pembagi Tegangan
Pada gambar 2.3 dijelaskan bahwa komponen tegangan adalah sensor tegangan yang berfungsi untuk menentukan tegangan jala-jala listrik setiap saat. Hal
ini diperlukan untuk mengukur tegangan setiap saat. Sensor tegangan ini berupa pembagi tegangan. Tegangan yang dihasilkan masih berupa sinyal sinusoidal.
Tegangan ini akan diteruskan ke input rangkaian penyearah.
2.4 Tegangan 380 V DC
European Telecommunications Standards Institute (ETSI) dan EMerge Alliance telah membakukan 380 Vdc dan membuat panduan untuk distribusi listrik DC. Dalam sistem listrik dc, UPS digunakan untuk mengubah listrik dari ac ke dc.
Karena distribusi ke pusat data menggunakan dc, bypass sistem UPS juga akan membutuhkan rectifier. Akibatnya, sistem dc lebih hemat biaya dalam sistem. Hal yang perlu diperhatikan ketika merancang sistem distribusi listrik dc adalah menggunakan perangkat perlindungan yang tepat, dan mengikuti syarat spesisik untuk sistem grounding dc (merujuk ke IEEE Standard 1100-2005 – IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment).
Dalam usaha untuk meningkatkan efisiensi energi dan menghemat biaya, berbagai strategi distribusi listrik ke pusat data mulai marak digunakan. Peningkatan efisiensi dicapai dengan menggunakan sistem distribusi DC dibandingkan dengan distribusi AC sistem dapat dikaitkan dengan berbagai alasan. Alasan utama untuk efisiensi sistem DC yang lebih tinggi adalah itu membutuhkan jumlah tahap konversi daya yang lebih rendah. Standarisasi jaringan DC akan menjadi kunci untuk menggabungkan produk dari beberapa produsen yang dikenal dari jaringan listrik AC.
Tabel 2.1 : Perbandingan Parameter Jaringan Listrik DC sebagai Input untuk Standarisasi
Standardisasi DC 380V di pusat data cukup baru. Sejumlah besar perusahaan seperti EMerge Alliance dan APC bekerja untuk menyediakan produk mematuhi standar 380V DC untuk aplikasi pusat data. Distribusi DC tingkat fasilitas (di sini distribusi 380V DC) menyediakan lebih tinggi efisiensi sebagai inverter (konverter DC-AC) di UPS, konverter AC-DC di PSU, dan transformator di PDU yang di dapat terbatas.[11][12]
Gambar 2.4 Arsitektur distribusi daya 380V DC
Unit catu daya (PSU) mengubah AC pasokan ke DC yang diatur bertegangan rendah daya untuk komponen internal server atau media penyimpanan digital. DC PSU miliki efisiensi energi lebih tinggi daripada PSU AC karena memiliki tahap konversi yang lebih sedikit. Juga, DC PSU jauh lebih andal dan memiliki ketersediaan lebih tinggi dari AC PSU karena jumlahnya lebih sedikit komponen dalam jalur pengiriman daya.
PSU DC akan memiliki efisiensi yang lebih tinggi dan keandalan yang lebih baik daripada AC PSU karena lebih sedikit jumlah konverter secara seri. Arsitektur distribusi daya 380V DC telah diusulkan untuk diperoleh peningkatan efisiensi dan keandalan yang lebih tinggi dalam kekuatan pusat data.[13]
Berbagai penelitian telah dilakukan untuk memvalidasi peningkatan efisiensi dalam distribusi DC sistem. Laboratorium Nasional Lawrence Berkley (LBNL) mulai menyelidiki distribusi DC efisiensi di pusat data pada tahun 2004.
Hasil yang diperoleh dalam penelitian mereka menyatakan bahwa distribusi DC mengkonsumsi daya 28% lebih sedikit dibandingkan dengan distribusi AC pada
pusat data. Investigasi yang dilakukan menyimpulkan bahwa pada beban 50%, sistem 380 Vdc adalah yang paling efisien di antara sistem yang dipertimbangkan sebelumnya. Hasil penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 2.2 adalah sebagai berikut.
Tabel 2.2 Perbandingan Efisiensi lima Sistem Distribusi pada beban 50 %
Dari tabel 2.2 diperoleh satu-satunya implementasi distribusi DC yang ada, hingga dekade terakhir, adalah telekomunikasi dan pusat data yang beroperasi pada 48 Vdc. Inisiatif penelitian pada bangunan teknologi tinggi seperti telekomunikasi dan pusat data dimulai pada awal 2000-an sebagai akibat dari isu energi di California. LBNL dimulai melihat efisiensi distribusi daya di pusat data pada tahun 2004. Sistem distribusi 380 Vdc didirikan untuk demonstrasi di Newark, CA.
Kemudian, dalam laporannya tahun 2008, ia melaporkan peningkatan dalam efisiensi 28% dan 7% masing-masing, dibandingkan dengan 208 Vac dan 408 sistem Vac di pusat data.
Pada 2009, fasilitas baru dengan distribusi DC sudah diimplementasikan dan dipelajari secara global, dengan level tegangan bervariasi antara 220 Vdc hingga 550 Vdc. Pada akhir 2014, ada lebih banyak fasilitas menerapkan distribusi DC pada level tegangan 380 Vdc. Sebuah sistem distribusi terintegrasi dengan sumber DC (misalnya, sel bahan bakar, panel surya, dll) dianggap, sistem distribusi DC lebih efisien daripada sistem AC.
Industri telekomunikasi dan transportasi telah menggunakan listrik DC selama bertahun-tahun. Sumber energi alternatif dan terbarukan seperti tenaga surya, tenaga angin, dan sel bahan bakar merupakan sumber listrik berbasis DC. Sebagian
besar perangkat listrik di hunian dan perkantoran beroperasi secara internal menggunakan listrik DC. Dan, yang paling penting, perangkat penyimpanan energi seperti baterai dan sistem UPS juga menggunakan DC.[12]
Strategi distribusi listrik 380 V DC mengantarkan listrik DC dari IPS (In Plane Switching) dc rectifier langsung ke power supply. Tujuan utamanya adalah meraih efisiensi dengan meniadakan inverter losses di UPS, rectifier losses di power supply, dan losses trafo yang berkaitan dengan PDU (Power Distibution Units).
2.5 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 :
a. Ballast Magnetik
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.[12]
2.6 Mikrokontroller
Mikrokontroler (microcontroller) atau disingkat dengan “micron” adalah pengendali yang merupakan suatu komputer kecil yang terletak di dalam sebuah chip atau IC (integrated circuit) yang berisikan inti prosesor, memori, dan komponen input/output yang dapat diprogram.
Mikrokontroler biasa digunakan pada produk dan perangkat yang dapat dikontrol secara otomatis, seperti sistem kontrol mesin mobil (engine control), perangkat medis (medical devices), pengendali jarak jauh (remote control), mesin perkantoran (office machines), dan juga mainan (games). Penggunaan mikrokontroler lebih ekonomis dibandingkan sebuah desain sistem yang berisikan mikroprosesor, memori, dan perangkat input/ouput terpisah. Mikrokontroler adalah komputer mikro dalam satu chip tunggal. Mikrokontroler memadukan CPU, ROM, RWM, I/O paralel, I/O seri, counter-timer, dan rangkaian clock dalam satu chip tunggal seperti terlihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Blok Diagram Mikrokontroller
Sama halnya dengan mikroprosesor, mikrokontroler adalah perangkat yang dirancang untuk kebutuhan umum (specific purpose). Sesuai dengan fungsinya sebagai pengendali, mikrokontroler berisikan sepaket chip lengkap yang terdiri dari fitur-fitur pengolah data yang juga terdapat dalam mikroprosesor, ditambah RAM, ROM, I/O, dan fitur lain yang terintegrasi di dalamnya. Contohnya dapat ditemui pada perangkat otomotif, mesin industri, elektronik dan perangkat- perangkat lain yang memiliki embedded sistem di dalamnya. Mikrokontroler sebagai sebuah chip telah mengalami perkembangan baik dari sisi arsitektur, teknologi dan kemampuannya.
Mikrokontroller sebagai teknologi baru yaitu teknologi semikonduktor kehadirannya sangat membantu perkembangan dunia elektronika. Dengan arsitektur yang praktis tetapi memuat banyak kandungan transistor yang terintegrasi, sehingga mendukung dibuatnya rangkaian elektronika yang lebih portable. Mikrokontroller dapat diproduksi secara masal sehingga harganya menjadi lebih murah dibandingkan dengan mikroprosessor, tetapi tetap memiliki kelebihan yang bisa diandalkan.
Gambar 2.6 memperlihatkan beberapa contoh chip mikrokontroller.
Gambar 2.6 Chip Mikrokontroller
Mikrokontroler memiliki perbandingan ROM dan RAM-nya yang besar, artinya program kontrol disimpan dalam ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpan sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan.
Perkembangan Mikrokontroler mengalami perubahan dari segi rancangan dan aplikasinya, seperti faktor kecepatan pengolah data yang semakin meningkat (cepat) dibanding pendahulunya. Seperti halnya sebuah mikroprosesor, mikrokontroler juga berkembang sesuai rancangan dan model-model aplikasinya. Mikrokontroler berdasarkan jumlah bit data yang dapat diolah dapat dibedakan dalam :
1. Mikrokontroler 4 Bit : merupakan mikrokontroler dengan jumlah bit data terkecil. Mikrokontroler jenis ini diproduksi untuk meminimalkan jumlah pin dan ukuran kemasan.
2. Mikrokontroler 8 Bit : merupakan mikrokontroler yang paling banyak digunakan untuk pekerjaan-pekerjaan perhitungan skala kecil. Dalam komunikasi data, Data ASCII serial juga disimpan dalam ukuran 8 bit.
Kebanyakan IC memori dan fungsi logika dibangun menggunakan data 8 bit sehingga interface bus data menjadi sangat mudah dibangun. Penggunaan mikrokontroler 8 bit jauh lebih banyak dibandingkan dengan mikrokontroler 4 bit. Aplikasinya juga sangat variatif mulai dari aplikasi kendali sederhana sampai kendali mesin berkecepatan tinggi.
3. Mikrokontroler 16 Bit : keterbatasan-keterbatasan yang ada pada mikrokontroler 8 bit berkaitan dengan semakin kompleknya pengolahan data dan pengendalian serta kecepatan tanggap/respon disempurnakan dengan menggunakan mikrokontroler 16 bit. Salah satu solusinya adalah dengan menaikkan kecepatan clock, dan ukuran data. Mikrokontroler 16 bit digunakan untuk mengatur tangan robot, dan aplikasi Digital Signal Processing (DSP).
4. Mikrokontroler 32 Bit : ditargetkan untuk aplikasi Robot, Instrumen cerdas, Avionics, Image Processing, Telekomunikasi, Automobil, dan sebagainya.
Program-program aplikasinya bekerja dengan sistim operasi dan dipadukan dengan perangkat pintar lainnya.
Karena kebutuhan yang tinggi terhadap “smart chip” dengan berbagai fasilitasnya, maka berbagai vendor juga berlomba untuk menawarkan produk-produk mikrokontrolernya. Selain mikroprosesor dan mikrokontroler, sebenarnya telah bemunculan chip-chip pintar lain seperti DSP prosesor dan Application Spesific Integrated Circuit (ASIC). Di masa depan, chip-chip mungil berkemampuan sangat tinggi akan mendominasi semua desain elektronik di dunia sehingga mampu memberikan kemampuan komputasi yang tinggi serta meminimumkan jumlah komponen-komponen konvensional.
Karena kemampuannya yang tinggi, bentuknya yang kecil, konsumsi dayanya yang rendah, dan harga yang murah maka mikrokontroler begitu banyak digunakan di dunia. Mikrokontroler digunakan mulai dari mainan anak-anak, perangkat elektronik rumah tangga, perangkat pendukung otomotif, peralatan industri, peralatan telekomunikasi, peralatan medis dan kedokteran, sampai dengan pengendali robot serta persenjataan militer. Terdapat beberapa keunggulan yang diharapkan dari alat- alat yang berbasis mikrokontroler (microcontroller-based solutions) :
1. Kehandalan tinggi (high reliability) dan kemudahan integrasi dengan komponen lain (high degree of integration)
2. Ukuran yang semakin dapat diperkecil (reduced in size)
3. Penggunaan komponen dipersedikit (reduced component count) yang juga akan menyebabkan biaya produksi dapat semakin ditekan (lower manufacturing cost)
4. Waktu pembuatan lebih singkat (shorter development time) sehingga lebih cepat pula dijual ke pasar sesuai kebutuhan (shorter time to market)
5. Konsumsi daya yang rendah (lower power consumption)
Penerapan teknologi di masyarakat akan memberikan banyak keuntungan.
Mikrokontroler merupakan sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip.
Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka:
1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas,
2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi,
3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang mudah merespons.
Mikrokontroler juga merupakan sebuah prosesor yang digunakan untuk kepentingan kontrol. Meskipun mempunyai bentuk yang jauh lebih kecil dari suatu komputer pribadi dan komputer mainframe, mikrokontroler dibangun dari elemen- elemen dasar yang sama. Seperti umumnya komputer, mikrokontroler adalah alat yang mengerjakan instruksi–instruksi yang diberikan kepadanya.
Artinya, bagian terpenting dan utama dari suatu sistem terkomputerisasi adalah program itu sendiri yang dibuat oleh seorang programer. Program ini mengisntruksikan komputer untuk melakukan tugas yang lebih kompleks yang di inginkan oleh programmer. Beberapa fitur yang umumnya ada di dalam mikrokontroler adalah sebagai berikut:
1. ROM (Read Only Memory)
ROM berfungsi untuk tempat penyimpanan variable. Memori ini bersifat volatile yang berarti akan kehilangan semua datanya jika tidak memdapat catu daya.
2. RAM (Random Access Memory)
RAM digunakan oleh mikrokontroler untuk tempat penyimapan program yang akan diberikan oleh user
3. Register
Merupakan tempat penyimpanan nilai – nilai yang akan digunakan dalam proses yang telah disediakan oleh mikrokontroler.
4. Special Function Register
Merupakan register khusus yang berfungsi untuk mengatur jalanya mikrokontroler. Register ini terletak pada RAM.
5. Input dan Output Pin
Pin input adalah bagian yang berfungsi sebagai penerima signal dari luar, pin ini dapat dihubungkan ke berbagai media inputan seperti keypad, sensor, dan sebagainya. Pin output adalah bagian yang berfungsi untuk mengeluarkan signal dari hasil proses algoritma mikrokontroller.
6. Interupt
Interupt adalah bagian mikrokontroler yang berfungsi sebagai bagian yang dapat melakukan interupsi, sehinga ketika program utama sedang berjalan, program utama tersebut dapat di interupsi dan menjalankan program instrupsi terlebih dahulu.
Rata-rata mikrokontroler memiliki instruksi manipulasi bit, akses ke I/O secara langsung dan mudah, dan proses interupt yang cepat dan efisien. Dengan kata lain mikrokontroler adalah “Solusi satu Chip” yang secara drastis mengurangi jumlah komponen dan biaya desain (harga relatif murah).
2.7 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. Konfigurasi bagian utama mikrokontroler dari Arduino Uno ditunjukkan pada Gambar 2.7 berikut ini.
Gambar 2.7 Konfigurasi Arduino Uno
Dari gambar 2.7 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.
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.
Gambar 2.8 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.[14] 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.
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. XCK dapat difungsikan sebagai sumber clock external untuk USART, namun kita juga dapat memanfaatkan clock dari CPU, sehingga tidak perlu membutuhkan external clock.
d. T0 dan T1 berfungsi sebagai masukan counter external untuk timer 1 dan timer 0.
e. AIN0 dan AIN1 keduanya merupakan masukan input untuk analog comparator.
Hanya dengan menghubungkannya ke sebuah komputer melalui USB atau memberikan tegangan DC dari baterai atau adaptor AC ke DC sudah dapat membuanya bekerja.[15]
2.7.1 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.
2.7.2 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 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.
d. GND adalah pin ground.
2.7.3 Arduino IDE
Arduino IDE Arduino adalah perangkat lunak IDE (Integrated Development Environment). Sebuah perangkat lunak yang memudahkan kita mengembangkan aplikasi mikrokontroler mulai dari menuliskan source program, kompilasi, upload hasil kompilasi, dan uji coba secara terminal serial. Arduino ini bisa dijalankan di komputer dengan berbagai macam platform karena didukung atau berbasis Java.
Source program yang kita buat untuk aplikasi mikrokkontroler adalah bahasa C/C++
dan dapat digabungkan dengan assembly.
Gambar 2.9 Logo Arduino
Gambar 2.10 Tampilan Arduino IDE
Pada tampilan Arduino IDE terdapat tiga jendela yaitu menu, tombol icon, eitor dan pesan. Pada bagian bawah terlihat jenis mikrokontroler atau board arduino saat ini yaitu Board Arduino BT dengan mikrokontroler 328 dengan menggunakan kanal serial COM7 untuk upload hasil kompilasi dan koomunikasi konsole serial.
Arduino sangat kaya dengan library karena arduino sifatnya adalah opensoource.
Selain arduino IDE sebagai jantungnya, bootloader adalah jantung arduino lainnya yang berupa program kecil yang dieksekusi sesaat setelah mikrokontroler diberi catu daya. Bootloader ini berfungsi sebagai pemonitor aktifitas yang diiginkan oleh arduino. Jika dalam IDE terdapat file hasil kompilasi yang akan diupload, bootloader secara otomatis menyambutnya untuk disimpan dalam memori program. Jika pada saat awal mikrokontroler bekerja, bootloader akan mengeksekusi program aplikasi yang telah diupload sebelumnya. Jika IDE hendak mengupload program baru, bootloader seketika akan menghentikan eksekusi program berganti menerima data program untuk selanjutnya diprogramkan dalam memori program mikrokontroler.[16]
2.8 Arduino Uno
Arduino Uno adalah salah satu varian dari produk board mikrokontroller keluaran Arduino. Arduino Uno adalah board Arduino terkecil, menggunakan mikrokontroller Atmega 328 untuk Arduino Uno 3. Mikrokontroler berbasis ATmega 328(datasheet).Arduino Uno Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang-ke adaptor-DC atau baterai untuk menjalankannya.
Arduino Uno berbeda dari semua papan sebelumnya dalam hal itu tidak menggunakan FTDI chip driver USB-to-serial. Sebaliknya, fitur Atmega 16U2 (Atmega8U2 hingga versiR2) deprogram sebagai converter USB-to-serial. Revisi 2 dari dewan Uno memiliki resistor menarik garis 8U2 HWB ke tanah, sehingga lebih mudah untuk dimasukkan ke dalam mode DFU. ArduinoUno dapat di aktif kan melalui koneksi USB atau dengan satu daya eksternal. Sumber daya dipilih secara
otomatis.Eksternal(non-USB) dapat di ambil baik berasaldari AC ke adaptor DC atau baterai. Adaptor ini dapat dihubungkan dengan menancapkan plug jack pusat- positif ukuran 2.1mm konektor POWER.
Ujung kepala dari baterai dapat dimasukkan kedalam Gnd dan Vin pin header dari konektor POWER.Kisaran kebutuhan daya yang disarankan untuk board Uno adalah7 sampai dengan 12 volt, jika diberi daya kurang dari 7 volt kemungkinan pin 5v Uno dapat beroperasi tetapi tidak stabil kemudian jikadiberi daya lebih dari 12V, regulator tegangan bisa panas dan dapat merusak board Uno VIN. Tegangan masukan kepada board Arduino ketika itu menggunakan sumber daya eksternal (sebagai pengganti dari 5 volt koneksi USB atau sumber daya lainnya).5V. Catu daya digunakan untuk daya mikrokontroler dan komponen lainnya 3v3. Sebuah pasokan 3,3 volt dihasilkan oleh regulator on-board. GND. Ground pin.
Gambar 2.11 Arduino Uno
Pada Gambar 2.11 diatas dapat dilihat sebuah papan Arduino dengan beberapa bagian komponen didalamnya. Pada hardware arduino terdiri dari 20 pin yang meliputi:
a. 14 pin I/O Digital (pin 0–13)
Sejumlah pin digital dengan nomor 0–13 yang dapat dijadikan input atau output yang diatur dengan car amembuat program IDE.
b. 6 pin Input Analog (pin 0–5)
Sejumlah pin analog bernomor 0–5 yang dapat digunakan untuk membaca nilai input yang memiliki nilai analog dan mengubahnya ke dalam angka antara 0 dan 1023.
