CELL 20 W
TESIS
FUTRI AMIDHANI HARAHAP NIM. 197026011
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
CELL 20 W
TESIS
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Magister Sains
FUTRI AMIDHANI HARAHAP NIM. 197026011
PROGRAM STUDI MAGISTER FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
Telah diuji pada
Tanggal: 13 Agustus 2021
PANITIA PENGUJI TESIS
Ketua: Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc
Anggota : 1. Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc
2. Prof. Dr. Marhaposan Situmorang 3. Dr. Kurnia Sembiring, M.S 4. Prof. Dr. Zuriah Sitorus, M.S
Rancangan Buck-Boost Converter Sebagai Charger Baterai Pada Penggunaan Daya AC Berbasis Solar Cell 20 W
ABSTRAK
Telah di rancang sebuah sistem pengisian baterai otomatis dengan metode Buck- Boost Converter (BBC) berbasis solar cell 20W yang memiliki ouput daya AC.
Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat sistem pengisian daya yang stabil pada baterai dengan menggunakan sumber energi dari matahari, dan untuk menjaga tegangan pada baterai agar tidak overcharge, maka telah dibuat suatu sistem cut off otomatis pada pengisian baterai dimana saat tegangan baterai mencapai 14.2 Volt maka pengisian daya akan otomatis dihentikan. Ketika tegangan baterai dibawah 12.2 Volt charger akan otomatis diaktifkan. Kestabilan tegangan pada saat proses pengisian dijaga oleh rangkaian BBC menjadi 16 V dengan cara mengatur frekuensi switching pada mosfet BBC yang dilakukan oleh PWM dari mikrokontroler arduino.
Tegangan yang dialirkan BBC charger ke baterai diregulasi oleh Regulator LM 317 pada satu titik tegangan yaitu 14.2 V. Sistem ini dikendalikan oleh mikrokontroler Arduino Uno. Data pada penelitian ini ditampilkan pada display LCD dan juga dikirim ke user melalui jaringan internet yaitu IoT. Pengisian daya serta output dari baterai ke inverter dapat di kontrol dan dimonitoring dengan menggunakan aplikasi Blynk pada Smartphone. Output sistem ini adalah sumber tegangan AC 220 V yang di inversi oleh Inverter 12 V DC – 220 V AC.
Kata Kunci : Arduino Uno, Buck-Boost Converter, IoT, Regulator LM317, Solar Cell
The Design of Buck-Boost Converter as Battery Charger on AC Power Usage Based on 20 W Solar Cell
ABSTRACT
An automatic battery charging system has been designed using the Buck-Boost Converter (BBC) method based on a 20W solar cell that has AC power output. The purpose of this study is to create a stable charging system for the battery using an energy source from the sun, and to maintain the voltage on the battery so as not to overcharge, an automatic cut off system has been made for charging the battery where when the battery voltage reaches 14.2 Volt then charging will be stopped automatically. When the battery voltage is below 12.2 Volts the charger will be automatically activated. Voltage stability during the charging process is maintained by the BBC circuit to 16 V by adjusting the switching frequency on the BBC mosfet which is carried out by PWM from the Arduino microcontroller. The voltage supplied by the BBC charger to the battery is regulated by the LM 317 Regulator at one voltage point, namely 14.2 V. This system is controlled by the Arduino Uno microcontroller. The data in this study is displayed on an LCD display and also sent to the user via the internet network, namely IoT. Charging and output from the battery to the inverter can be controlled and monitored using the Blynk application on the Smartphone. The output of this system is a 220 V AC voltage source which is inverted by a 12 V DC – 220 V AC inverter.
Keywords: Arduino Uno, Buck-Boost Converter, IoT, LM 317 Regulator, Solar Celll
PRAKATA
Puji syukur penulis haturkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan karunia-Nya, sehingga tesis ini dapat diselesaikan dengan baik.
Tesis dengan judul : “Rancangan Buck-Boost Converter Sebagai Charger Baterai Pada Penggunaan Daya AC Berbasis Solar Cell 20 W” adalah merupakan syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Pascasarjana Fisika FMIPA Universitas Sumatera Utara.
Keberhasilan dari penelitian dan penulisan tesis ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak yang terlibat secara langsung maupun tidak langsung dan telah memberikan dukungan secara moril maupun materil. Pada kesempatan ini penulis dengan kerendahan hati ingin menyampaikan terima kasih yang tidak terhingga kepada:
1. Dr. Muryanto Amin, S.Sos, M.Si selaku Rektor Universitas Sumatera Utara.
2. Dr. Nursahara Pasaribu, M.Sc selaku Dekan FMIPA Universitas Sumatera Utara.
3. Bapak Dr. Kurnia Sembiring, MS selaku Ketua Program Studi Pascasarjana FMIPA USU sekaligus pembanding 2 yang telah banyak memberikan masukan dalam menyelesaikan tesis ini.
4. Bapak Dr. Kerista Tarigan, M.Eng.Sc selaku Sekretaris Program Studi Pascasarjana FMIPA USU sekaligus Pembimbing 1 yang telah banyak meluangkan waktunya dalam memberikan bimbingan, kritik dan saran yang sangat baik dalam penyelesaian tesis ini.
5. Bapak Dr. Syahrul Humaidi, M.Sc selaku Pembimbing 2 yang telah memberikan bimbingan selama melakukan penelitian dan penyelesaian tesis ini.
6. Bapak Prof. Dr. Marhaposan Situmorang sebagai Pembanding I dan Ibu Prof. Dr.
Zuriah Sitorus, M.S selaku pembanding 3 yang telah banyak memberikan kritik dan saran kepada penulis dalam penyelesaian tesis ini. Dan tidak lupa kepada Alm. Prof. Dr. Kerista Sebayang, M.S dan Alm. Prof. Dr. Nassruddin MN, M.Eng.Sc yang sempat menjadi pembanding 3 penulis sebelumnya yang telah memberikan saran yang baik demi kebaikan tesis ini.
7. Dan limpahan terimakasih penulis sampaikan kepada Orangtua tercinta, Ayahanda H. Rizal Al-Rasyid Harahap dan Ibunda Hj. Tiabasa Nasution yang
selalu mendoakan dan memberikan semangat dan dukungan berupa moral dan materil.
8. Saudara-saudara tercinta, Kak Indryana Febryanthy Harahap, Kak Desy Angryani Oktarina Harahap, Rocky Ardiansyah Habibi Harahap dan Elga Citra Lylyanti Harahap yang merupakan saudara kandung penulis.
9. Kepada sahabat-sahabat penulis Fatimah, Nur Rahmah, Yani, Vida, Marlina dan teman-teman seperjuangan lainnya yang memberi semangat dan dukungan kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan tesis ini.
Penulis menyadari, dalam penulisan tesis ini masih banyak terdapat kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan masukan dari pembaca yang dapat membangun demi penyempurnaan tesis ini. Akhir kata, semoga tulisan ini dapat bermanfaat bagi ilmu pengetahuan.
Medan, Agustus 2021
Futri Amidhani Harahap
DAFTAR ISI
Halaman
PENGESAHAN TESIS i
PENETAPAN PANITIA PENGUJI ii
ABSTRAK iii
ABSTRACT iv
PRAKATA v
DAFTAR ISI vii
DAFTAR TABEL ix
DAFTAR GAMBAR x
BAB I PENDAHULUAN 1
1.1 LatarBelakang 1
1.2 RumusanMasalah 2
1.3 Tujuan 3
1.4 Batasan Masalah 3
1.5 Manfaat Penelitian 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 5
2.1 Buck-Boost Converter 5
2.2 Mikrokontroler 8
2.3 MikrokontrolerATMega 328P 9
2.3.1 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATMega 328 P 11
2.4 Arduino 12
2.5 Solar Cell 13
2.6 Display LCD 14
2.7 Sensor Pembagi Tegangan 16
2.8 Sensor Suhu LM 35 16
2.9 Relay 19
2.10 Transistor 20
2.11 Dioda 21
2.12 Baterai 21
2.13 Inverter 24
2.14 Mosfet 25
BAB III METODE PENELITIAN 26
3.1 Diagram Blok 26
3.2 Diagram Alir Sistem 28
3.3 Diagram Alir Sistem Buck-Boost Converter 30
3.4 Metode Penelitian 30
3.5 Prinsip Kerja Rangkaian 31
3.5.1 Sensor Tegangan 31
3.5.2 Sensor Suhu 31
3.5.3 Driver dan relay 32
3.5.4 Display LCD 33
3.5.5 ESP 8266 33
3.5.6 Panel Surya 34
3.5.7 Buck-Boost Converter 35
3.5.8 Regulator 35
3.5.9 Mikrokontroler 36
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 37
4.1 Pembahasan 37
4.2 Analisa Sistem 38
4.2.1 Analisa Kapasitas Penyimpanan Energi oleh Baterai 38 4.2.2 Sistem Analisa Pembangkit Tenaga Surya 39
4.3 Pengujian Sistem 40
4.3.1 Pengujian Panel Surya 40
4.3.2 Pengujian Rangkaian Regulator 43
4.3.3 Pengujian Rangkaian Buck Boost Converter 46
4.3.4 Pengujian Sensor Tegangan 49
4.3.5 Pengujian Sensor ArusR Shunt 51
4.3.6 Pengujian Display LCD 53
4.3.7 Pengujian Kapasitas Baterai Lead Acid 54
4.3.8 Pengujian Sensor Suhu LM 35 56
4.3.9 Pengujian Inverter 12V-220V 58
4.3.10 Pengujian Alat Secara Keseluruhan 60
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 64
5.1 Kesimpulan 64
5.2 Saran 65
DAFTAR PUSTAKA 66
LAMPIRAN 69
DAFTAR TABEL
Nomor Judul Halaman
Tabel
4.1 Hasil pengukuran panel surya
beban dengan Resistor 7,5 ohms/ 20 watt 42 4.2 Hasil perhitungan arus dan daya output
panel surya. 43
4.3 Hasil pengujian regulator tegangan LM317 45 4.4 Hasil perhitungandaya output regulator 46 4.5 Hasil pengujian rangkaian Buck Boost
Konverter 47
4.6 Hasil pengukuran sensor tegangan 51
4.7 Data pengukuran Sensor arus 53
4.8 Data pengukuran Sensor arus pada LCD 54
4.9 Proses pengisian baterai 56
4.10 Proses Pengosongan Baterai 57
4.11 Hasil pengujian sensor suhu LM35 58
4.12 Hasi l pengukuran arus dan tegangan
untuk beban 11 Watt 59
4.13 Hasil pengukuran arus dan tegangan
untuk beban 100 Watt 60
4.14 Hasil Pengujian Secara Keseluruhan 62
DAFTAR GAMBAR
No Gambar Judul Halaman
Gambar 2.1 Rangkaian Syncronous Buck Converter. 5
Gambar 2.2 Rangkaian Buck-Boost Converter 5
Gambar 2.3 Rangkaian Dasar Buck Converter 6 Gambar 2.4 Rangkaian Dasar Boost Converter 7 Gambar 2.5 Konfigurasi dari pin AT Mega 328 11
Gambar 2.6 LCD 14
Gambar 2.7 Cara kerja potensiometer 16
Gambar 2.8 Bentuk Fisik Sensor LM35 17
Gambar 2.9 Relay 19
Gambar 2.10 Transistor 20
Gambar 2.11 Simbol Dioda 21
Gambar 2.12 Komponen pembentuk baterai. 22
Gambar 3.1 Blok diagram 26
Gambar 3.2 Diagram Alir Sistem 28
Gambar 3.3 Diagram Alir Sistem pada Buck-Boost Converter 30 Gambar 3.5 Sensor teganganpada pin A0 dan A1
Arduino Uno. 31
Gambar 3.6 Sensor suhu LM35 terhubung pada pin A2
dan melekat pada baterai. 32
Gambar 3.7 Rangkaian driver dan relay pada
pin 12 dan 13 33
Gambar 3.8 Display LCD terhubung pada
Mikrokontroler Arduino. 33
Gambar 3.9 Hubunganesp 8266 dengan mikrokontroler
Arduino. 34
Gambar 3.10 Rangkaian panel surya pada buck boost
Converter dan baterai. 35
Gambar 3.11 Rangkaian Buck Boost konverter. 35
Gambar 3.12 Rangkaian Regulator LM317 36
Gambar 3.13 Rangkaian Keseluruhan Berbasis
Mikrokontroler Arduino Uno 37
Gambar 4.1 Rangkaian Buck Boost Charger hasil rancangan 38 Gambar 4.2 Panel surya 20 Watt yang digunakan Sebagai
Charger Batere 40
Gambar 4.3 Proses Pengukuran Tegangan Panel Surya 42 Gambar 4.4 Grafik Tegangan Vs Arus pada Pengujian Panel
Surya 43
Gambar 4.5 Grafik Tegangan Output Vs Arus pada Pengujian
Regulator 44
Gambar 4.6 Pengukuran Tegangan pada Regulator 45 Gambar 4.7 Test Point Pengukuran pada Rangkaian
Buck-Boost Converter 47
Gambar 4.8 Tampilan Pulsa PWM 47
Gambar 4.9 Tampilan Switching 48
Gambar 4.10 Grafik Tegangan Vs Frekuensi 49
Gambar 4.11 Proses Pengukuran pada output sensor tegangan 50 Gambar 4.12 Grafik Tegangan Vs Arus pada Pengujian Sensor
Arus 52
Gambar 4.13 Tampilan pada LCD 54
Gambar 4.14 Pengukuran Tegangan Baterai saat discharge 56 Gambar 4.15 Tampilan Suhu Sensor pada Display LCD 57 Gambar 4.16 Pengukuran Tegangan Sensor saat Suhu 280C 57 Gambar 4.17 Pengukuran Arus, Tegangan dan Daya
Beban Lampu LED 11 watt 59
Gambar 4.18 Pengukuran untuk Beban Lampu Pijar 100 Watt 59 Gambar 4.19 Tampilan Layar Aplikasi Blynk IoT 63
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Penggunaan panel surya saat ini sebagai sumber energi listrik sudah semakin dikenal dikalangan masyarakat. Selain dikenal dengan pemanfaatan energi terbarukan dan juga biaya nya yang murah, Penggunaan panel surya ini juga dikenal ramah lingkungan. Tidak seperti penggunaan sumber energi listrik dari PLN. PT.
PLN sebagai penyedia energi listrik ini sangat bergantung pada bahan bakar fosil yang sekarang ini sudah semakin menipis, inilah yang menyebabkan harga dari energi listrik tersebut semakin mahal dan melambung tinggi. Hal tersebut membuat masyarakat harus menghemat penggunaan listrik sehari-hari, selain itu juga jumlah dari energi listrik yang disediakan ini terbatas. Pada masa modern yang canggih saat ini konsumsi pada penggunaan listrik juga semakin bertambah, tenaga listrik menjadi kebutuhan vital dalam kehidupan manusia sehari-hari baik untuk kepentingan pribadi maupun dalam kehidupan bermasyarakat, selain itu tenaga listrik juga sangat dibutuhkan untuk peralatan rumah tangga maupun industri kecil.
Penggunaan panel surya sebagai sumber listrik juga dapat menjadi solusi pada penggunaan energi listrik untuk daerah-daerah yang terpencil yang belum dapat di jangkau oleh PLN. Solar cell merupakan perangkat elektronik yang dapat menangkap sinar matahari yang kemudian mengubahnya menjadi energi listrik.
Namun berdasarkan prinsip kerjanya solar cell ini membutuhkan suatu baterai yang digunakan untuk menyimpan energi yang dihasilkannya, penggunaan baterai pada solar cell inilah yang membuat penggunaannya dapat digunakan secara flexibel walaupun dalam keadaan tanpa matahari, contohnya pada saat malam hari. Karena baterai dapat menyimpan energi listrik dalam kapasitas tertentu.
Dari pengamatan penulis mengenai sebuah sistem photo voltaik atau solar cell, energi atau tegangan yang dihasilkan oleh sistem ini bersifat fluktuatif atau berubah-ubah, tergantung pada kondisi cuaca dan intensitas cahaya. Tegangan yang lebih tinggi dapat diturunkan atau diregulasi namun tegangan yang rendah tidak dapat diregulasi, akan tetap rendah. Berdasarkan fakta tersebutlah penulis menggunakan rangkaian konverter DC to DC yaitu Buck-Boost Converter yang
merupakan rangkaian penaik dan penurun teganagan dengan prinsip switching frekuensi tinggi. Switching dilakukan pada sebuah kumparan induksi inti ferit.
Switching pada sebuah kumparan akan mengakibatkan induksi tegangan. Induksi tegangan membuat tegangan menjadi lebih tinggi dari tegangan sumber. Besar tegangan induksi tergantung pada frekuensi switching yang diberikan. Dengan demikian, tegangan dapat diregulasi dengan mengatur frekuensi switching oleh mikrokontroler.
Mengingat pentingnya sistem pengisian daya pada baterai, dan dengan mempertimbangkan ketahanan dari baterai tersebut ketika harus menerima daya berlebih yang dapat membuat baterai mudah rusak, juga dengan mempertimbangkan suhu dari baterai yang digunakan, maka dibutuhkan suatu sistem pengisian baterai terbaru untuk mengurangi pembebanan berlebih pada baterai agar lebih hemat energi dan praktis. Mengacu pada permasalahan diatas maka penulis akan melakukan penelitian dengan judul “Rancangan Buck-Boost Converter Sebagai Charger Baterai Pada Penggunaan Daya AC Berbasis Solar Cell 20W”
Dari hasil penelitian Elfiani pada tahun 2016 converter ini mampu menaikkan tegangan hingga 20 V dan buck converter mampu menurunkan tegangan hingga 0,5V arus DC yang dihasilkan oleh solar cell berkapasitas 3 W. Pada penelitian tahun 2015 yang dilakukan oleh Liu dkk. didapatkan frekuensi switching pada buck boost converter sebesar 13,56 MHz. Di tahun 2019 Asy melakukan penelitian mengenai pengisian baterai dengan metode Buck-Boost Converter dan didapatkan efisiensi pengisian yang relative tinggi sebesar 73.9%. Maka dalam penelitian ini akan dibuat suatu rancangan charger baterai otomatis dengan menggunakan metode Buck-Boost Converter untuk membantu menstabilkan tegangan masukan pada baterai, menggunakan regulator LM 317 untuk mempertahankan tegangan input pada baterai dan juga sebagai proteksi maka dibuat sistem cut off otomatis pada saat baterai sudah terisi penuh, yang akan diprogram dengan menggunakan mikrokontroler. Proses pengisian daya pada baterai dapat dipantau dan dikontrol menggunakan Smartphone. Kemudian alat ini akan dirancang sedemikian rupa agar memiliki output dengan tegangan AC dan nantinya bisa digunakan sebagai sumber energi listrik, baik didaerah yang terjangkau PLN maupun di daerah-daerah terpencil.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang, maka dapat dituliskan perumusan masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana merancang Charger dengan metode Buck-Boost Converter menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi.
2. Bagaimana merancang sistem cut off otomatis pada charger menggunakan sensor tegangan yang dikontrol oleh sebuah mikrokontroler.
3. Bagaimana mengatur frequensi switching agar Tegangan input pada pengisian baterai yang di charger tetap konstan atau stabil.
4. Bagaimana membuat agar sistem charger dapat dipantau dan dikontrol via smartphone berbasis IoT.
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Untuk merancang charger dengan metode Buck Boost Converter.
2. Untuk menentukan hubungan frequensi terhadap tegangan keluaran Buck- Boost Converter.
3. Untuk membuat sistem charger dengan monitoring menggunakan smartphone.
1.4 Batasan Masalah:
Adapun batasan masalahnya adalah:
1. Sebagai sumber energi digunakan panel surya untuk konversi energi cahaya matahari menjadi energi listrik.
2. Menggunakan Rangkaian Buck-Boost Converter untuk menstabilkan tegangan yang dihasilkan oleh panel surya.
3. Menggunakan mikrokontroler Arduino Uno sebagai pengendali utama yang didukung oleh beberapa sensor tegangan, arus, suhu dan sebuah display LCD.
4. Menggunakan esp 8266 untuk aplikasi IoT dalam pemantauan dan pengendalian charger.
5. Tegangan input pada saat pengisian daya ke baterai dibatasi pada 14.2 V 6. Output sistem bertegangan 220 VAC
1.5 Manfaat Penelitian:
1. Menghasilkan suatu konsep pengisian ulang baterai yang lebih baik sehingga umur baterai lebih panjang atau durasi pemakaian lebih lama.
2. Dengan menggunakan cahaya matahari sebagai sumber energi membuat sistem lebih ramah lingkungan dan memanfaatkan energi terbarukan serta mengurangi penggunaan energi fosil yang semakin menipis.
3. Dengan aplikasi IoT maka proses pengisian baterai dapat dipantau dan dikontrol secara praktis dan mudah.
2.1 Buck-Boost Converter
Ada tiga topologi Switching power supply yang sering digunakan sebagai Converter DC to DC yaitu buck converter (syncronous dan non-yncronous), boost converter, dan yang terakhir merupakan gabungan dari keduanya atau disebut juga Buck-Boost Converter. Buck Converter adalah salah satu konverter yang memiliki fungsi sebagai penurun tegangan DC. . Dimana Buck Converter dapat menurunkan tegangan DC yang lebih tinggi ke tegangan DC yang lebih rendah, buck converter ini merupakan salah satu converter yang memiliki metode converter DC to Dc yang mampu menurunkan level tegangan yang memiliki frekuensi yang cukup tinggi.
Gambar 2.1 Rangkaian Syncronous Buck Converter. (Joseph, 2013)
Rangkaian buck converter pada Gambar 2.1 diatas mempunyai skema kontrol switching yang sinkron atau Synchronous Buck Converter. Jika diperhatikan MOSFET (Q2) merupakan penyearah sinkron. Untuk mencegah terjadinya short circuit maka kedua MOSFET tidak boleh aktif secara bersamaan Sehingga ketika Q1aktif maka Q2 harus dalam keadaan off , sebaliknya juka Q2 aktif maka Q1 dalam keadaan off. (Ariel Firmansyah).
Sedangkan funsi dari Buck-boost konverter adalah untuk mengubah level tegangan DC to DC, baik dari level yang lebih tinggi ke level yang lebih rendah maupun ke dari level yang lebih rendah ke level yang lebih tinggi. Namun buck- boost converter hanya akan mengubah polaritas dari tegangan output terhadap tegangan input (Hart, 2011).
Gambar 2.2 Rangkaian Buck-Boost Converter
Dan yang terakhir Boost Converter merupakan converter DC to DC yang berfungsi sebagai konverter yang diguanakan untuk mendapatkan tegangan keluaran yang lebih besar dari sumber teganga yang kecil. Menurut perkembangannya, penerapan DC to DC converter sudah banyak diaplikasikan pada sumber energi yang baru atau terbarukan (renewable energy) seperti pada Solar cell. Pada umumnya tegangan DC yang dihasilkan dari sumber energi Solar cell ini bersifat fluktuatif atau berubah-ubah. Maka disini dibutuhkan suatu regulator tegangan yang mampu menghasilkan tegangan yang konstan, salah satu solusi yang didapatkan adalah dengan menggunakan DC to DC converter. Pada penelitian akan digunakan Converter DC to DC dengan tipe Buck-Boost Converter untuk mendapatkan tegangan yang seimbang. Dimana tegangan masukan ke baterai yang bersumber dari solar cell dapat dinaikkan dan diturunkan. (W. Karni)
Buck konverterr merupakan konverter dari dc ke dc,yang memiliki nilai rata- rata tegangan keluaran lebih kecil dari nilai sumber tegangannya. Buck converter biasa disebut juga sebagai step-down converter. Berikut ini merupakan rangkaian dari buck converter .
Gambar 2.3 Rangkaian Dasar Buck Converter
Berikut merupakan penjelasan komponen dari rangkaian diatas antara lain : 1. Tegangan masukan (Vs), merupakan catu daya DC yang ingin diubah
tegangannya menjadi lebih tinggi atau lebih rendah.
2. Controllable switch (S), merupakan semiconductor switching device yang keadaan membuka dan menutupnya dapat dikendalikan dengan memberikan sinyal pada gate switch. Beberapa contoh switch jenis ini adalah BJT(Bipolar Junction Transistor), IGBT (Insulatedgated Bipolar Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).
3. Induktor (L), merupakan komponen yang berfungsi untuk menyimpan arus.
4. Dioda (D), merupakan uncontrollable semiconductor switching device, karena membuka atau menutupnya dioda tergantung dari tegangan dan arus yang mengalir pada rangkaian. Dioda akan terbuka jika dalam keadaan forward bias, yaitu tegangan anoda lebih tinggi daripada tegangan katoda, sebaliknya diode akan menutup jika dalam keadaan reverse bias, yaitu tegangan anoda lebih rendah daripada tegangan katoda.
5. Kapasitor (C), merupakan komponen yang berfungsi sebagai bagian dari low pass filter.
6. Resistor (R), merupakan beban sistem dan berfungsi pula sebagai bagian dari low pass filter.
7. Tegangan keluaran (Vo), merupakan hasil tegangan keluaran yang diinginkan.
Boost converter merupakan converter yang menghasilkan tegangan output yang lebih besar dari tegangan inputnya dalam bentuk DC. Tegangan output yang dihasilkan ini mempunyai polaritas yang sama dengan tegangan inputnya. Boost converter sering disebut dengan sebagai step-up converter. Dibawah ini ini merupakan rangkaian dari boost converter: Prinsip utama untuk menaikan tegangan adalah kemampuan dari induktor untuk menyimpan energinya. Dalam boost konverter , tegangan output selalu lebih tinggi daripadaa tegangan input nya. (Nisrina Zahra, 2016).
Gambar 2.4 Rangkaian Dasar Boost Converter
2.2 Mikrokontroler
Mikrokontroler memiliki suatu sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Yang mana di dalamnya terdapat sebuat inti prosesor, memori ( RAM ataupun memori program, maupun keduanya) dan beberapa perlengkapan input dan output.
Mikrokontroler adalah keluarga mikroprosesor yang merupakan sebuah chips yang bisa melakukan pemprosesan data dengan cara digital sesuai dengan perintah yang diberikan oleh perusahan pembuatnya dengan pengaturan menggunakan bahasa assembly. Mikrokontroler memiliki banyak kelebihan dan juga memiliki beberapa kekurangan, salah satu kekurangannya yaitu kurangnya ruang untuk memori data.
Pada saat digunakan pada aplikasi-aplikasi tertentu yang membutuhkan kapasitas memori yang besar, maka perlu penambahan memori yaitu menggunakan memori eksternal. Media yang biasa digunakan sebagai memori tambahan yaitu menggunakan Multi Media Card (MMC). Namun ini juga membutuhkan suatu sistem antarmuka yang dibangun untuk dapat mengkoneksikan antara Mikrokontroler dengan MMC sebagai media untuk penyimpanan datanya. (M. Ari, 2019)
Pengertian dari mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer yang dibangun pada sebuah keping (chip) tunggalatau bisa juga dikatakan bahwa mikrokontroler merupakan suatu sistem mikroprosesor yang terkandung didalam sebuah keping chip tersebut. (Adraya, 2010; Muhammad dan Kadek, 2013;
Riantiningsih, 2009; Malik, 2009). Sebuah mikrokontroler pada umumnya telah diisi dengan komponen pendukung sistem minimal mikroprosesor, yang terdiri dari memori dan pemrograman Input-Output, dengan ini disimpulkan bahwa mikrokontroler itu sangat berbeda dengan mikroprosesor serbaguna yang biasa digunakan dalam sebuah PC (Riantiningsih, 2009).
Mikrokontroler merupakan komponen utama yang sangat penting dalam sistem kontrol karena mikrokontroler digunakan sebagai sebuah prosesor dalam kepentingan kontrol tersebut.Mikrokontroler juga biasa disebut sebagai otak yang berfungsi untuk mengatur pergerakan pada motor (Motor Driver) dan untuk mengolah data yang dihasilkan oleh suatu komparator sebagai bentuk keluaran atau output dari sebuah sensor. (Saefullah, 2009; Dony Saputra, 2014)
Mikrokontroler tersusun atasbeberapa komponen, yaitu Central Processing Unit (CPU), Read Only Memory (ROM), Random Access Memory (RAM), dan Input dan Output (I/O). Keempat komponen tersebutlah yang akan membentuk sistem komputer dasar secara bersama-sama. (Setiawan, 2008; Muhammad dan Kadek, 2013).
Meskipun bentuk mikrokontroler jauh lebih kecil dari suatu komputer pribadi dan juga computer mainframe, tetapi mikrokontrolerdan komputer dibangun dari elemen-elemen yang hampir sama. Seperti umumnya sebuah komputer, mikrokontroler juga merupakan alat yang mengerjakan instruksi – instruksi yang diberikankepadanya, sehingga mikrokontroler akan berjalan sesuai dengan programnya. Artinya, bagian yang paling penting dan paling utama dari suatu sistem terkomputerisasi adalah program itu sendiri yang dibuat oleh seorang programmer.
Program ini menginstruksikan komputer untuk melakukan tugas yang lebih kompleks yang diinginkan oleh programmer tersebut.(Dony Saputra, 2014).
Seperti yang dikatakan pada pernyataan sebelumnya penggunaan mikrokontroler tergantung pada perintah dan instruksi yang diberikan padanya.
Seorang programmer akan memasukkan program ke dalam mikrokontroler yang akan dijalankan sesuai dengan yang diinginkan oleh pengguna. Salah satu kelebihan mikrokontroler adalah bentuknya yang sederhana dan mudah digunakan serta ukurannya yang relatif kecil, tetapi mikrokontroler ini memiliki daya muat memori yang relatif rendah sehingga programmer tidak membuat program yang banyak dan dituntut untuk lebih hemat dalam membuat programnya. (Adraya, 2010; Muhammad dan Kadek, 2013).
2.3 Mikrokontroler ATMega 328P
ATMega 328 adalah mikrokontroler dari keluarga AVR 8 bit. Banyak tipe dari mikrokontorler yang bisa dikatakan sama dengan ATMega 328 yaitu seperti AT Mega 8535, AT Mega 32, ATMega 16 dan lainnya, perbedaan antara mikrokontroler ini antara lain ukuran memorinya, peripherial (USART, Timer, counter, dll) banyaknya GPIO (pin input/output). AT Mega 328P memiliki ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan mikrokontroler-mikrokontroler yang disebutkan sebelumnya.
ATMega 328P adalah mikrokontroller keluaran Atmel yang memiliki arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) yang mana kencepatan eksekusi setiap datanya lebih cepat dibandingkan kecepatan eksekusi data pada arsitektur CISC (Completed Instruction Set Computer). Mikrokontroller ATmega 328P memiliki arsitektur lain yaitu Harvard. Dimana pada arstektur Harcard ini memori nya dipisahkan menjadi dua yaitu memori untuk kode program dan memori untuk data yang digunakan sehingga sistem kerja dan parallelisme nya lebih maksimal.
Instruksi pada memori program dieksekusi dalam suatu alur tunggal, dimana ketika salah satu instruksi sedang dikerjakan maka instruksi berikutnya akan diambil dari memori programnya.
Mikrokontroler ATmega328P dioperasikan dengan frekuensi clock mencapai 16 Mhz. ATmega328P ini memiliki 2 Power Saving Mode yang bisa dikontrol dengan software Power Down Mode dan Idle Mode. Pada aplikasi Idle Mode, CPU tidak diaktifkan sedangkan isi pada RAM-nya tetap dipertahankan dengan menggunakan timer/counter, kemudian serial port dan interupt system nya tetap berfungsi. Pada software Power Down Mode, isi RAM-nya disimpan namun osilator tidak digunakan sehingga semua fungsi dari setiap chip-nya akan berhenti sampai dilakukan reset dari hardware nya.
Seiring dengan perkembangan elektronika saat ini, penggunaan mikrokontroler AVR, seperti ATmega328P suadah dibuat semakin kompak dan baik dengan bahasa pemrograman yang lebih mudah dan juga ikut berubah. Salah satunya yaitu mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Riscprocessor) ATmega328P yang menggunakan teknologi arsitektur RISC (Reduce InstructionSet Computing) dimana programnya hanya membutuhkan 1 siklus clock untuk mengeksekusi satu instruksi data dari program, sehingga program nya dapat berjalan lebih cepat. Mikrokontroler ATMega 328P ini sudah terdapat pada beberapa board Arduino, seperti Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan lain-lain. Sehingga pembuatan dan eksekusi programnya jauh lebih mudah dan simpel dari pada sebelumnya.(Dony Saputra, 2014).
Ada beberapa fitur yang dimiliki oleh Mikrokontroler AT Mega 328P yaitu:
1. Memiliki 130 jenis instruksi yang hampir seluruhnya dapat dieksekusi dalam satu siklus clock-nya.
2. 32 x 8-bit register serbaguna yang digunakan.
3. Kecepatannya dapat mencapai 16 MIPS dengan clock 16 MHz.
4. Memiliki Flash memory sebesar 32 KB. Pada arduino menggunakan 2KB memori flash sebagai bootloader.
5. Memiliki Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM) sebanyak 1KB yang digunakan sebagai penyimpanannya dan semi permanen karena EEPROM akan tetap menyimpan data walaupun catu daya dalam keadaan off.
6. Memiliki Static Random Access Memory (SRAM) sebesar 2Kb.
7. Mempunyai Pin Input dan Output sebanyak 14 pin. 6 diantaranya adalah ouput untuk Pulse With Modulation (PWM).
8. Slape/ Master SPI Serial Interface
2.3.1 Konfigurasi pin Mikrokontroler ATMega 328 P
ATMega 328 mempunyai 3 PORT utama yakni PORT B, PORT C DAN PORT D, dengan 22 pin I/O yang mana semua pin ini dapat digunakan untuk pin Input dan pin Output (I/O) digital atau difungsikan sebagai peripheral lainnya. 6 pin pada Atmega ini dapat difungsikan sebagai output PWM (Pulse with Modulation) dan 6 pin lainnya berfungsi sebagai pin untuk input maupun output analog (I/O analog). Mikrokontroler AT Mega 328 P ini membutuhkan tegangan operasi sekitar 2,7 Volt – 5 Volt. Dengan 32 Kilo Byte memori flash yang dapat digunakan untuk menyimpan kode pemprograman yang diberikan programer dan 2 Kilo byte untuk bootloader. Mikrokontroler AtMega 328 mempunyai 2 Kilo byte dari S RAM dan 1 Kilo byte dari EEPROM.
( Muhammad dan Okky dan Eko. 2015)
Berikut ini merupakan gambar 2.5 konfigurasi dari pin AT Mega 328 P
Gambar 2.5 Konfigurasi dari pin AT Mega 328 P (DataSheet)
2.4 Arduino
Arduino adalah sebuah microkontroller board berbasis Atmega 328P yang memiliki 14 pin input/output, 6 diantara pin tersebut dapat digunakan sebagai output pulse with modulation (PWM) digital, dan 6 pin untuk analog input. Pada board arduino ini juga terdapat 16 Mega Hertz crystal oscillator, power jack, USB connection dan tombol reset dan ICSP header.
Komponen paling utama yang ada pada board Arduino adalah sebuah micro controller 8 bit merek AT Mega yang diproduksi oleh perusahaan Atmel Corporation. Board Arduino ini menggunakan beberapa tipe ATmega yang berbedabeda-beda pada setiap board nya. Tipe-tipe ATMega yang digunakan pada board Arduino ini tergantung pada spesifikasi arduino nya, sebagai contoh Arduino Uno menggunakan mikrokontroler ATmega 328, Arduino Duemilanove sendiri menggunakan mikrokontroler Atmega 328-P dan ada beberapa arduino yang menggunakan mikrokontroler Atmega 168, Arduino yang lebih canggih yaitu arduino Mega 2560 menggunakan mikrokontroler ATMega 2560. Pada penelitian tesis ini digunakan Arduino Uno dengan mikrokontroler Atmega 328-P . Adapun skema pada papan Arduino Uno Atmega 328-P ini berdasarkan pada blog diagram dari ATMega328-P. (Sumber : www.arduino.cc)
Arduino ATMega 328-P memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
1. Operating Voltage (Tegangan Operasi) sebesar 5V.
2. Input voltage (tegangan input) 7-12 V.
3. Batas tegangan input 6-20V.
4. Ada 14 buah pin input/output digital.
5. Memiliki 6 pin Input Analog.
6. Arus DC setiap Input/Output Pin sebesar 40 mA.
7. Arus DC untuk 3.3 V Pin sebesar 50 mA.
8. Memori penyimpanan (Flash Memory) sebesar 32 KB untuk ATmega 328-P, dan sebesar 16 KB untuk Atmega168.
9. 2 KB SRAM.
10. 1 KB EEPROM (Atmega 328P), 512 bytes EEPROM (Atmega 168).
11. Clock Speed 16 MHz.
2.5 Solar Cell
Solar Cell merupakan suatu elemen aktif yang mengubah cahaya matahari menjadi energi listrik. Solar cell mempunyai ketebalan 0.3 mm yang merupakan irisan dari bahan semikonduktor dengan kutub (+) dan kutub negatif (-). Sel surya adalah sumber energi terbarukan yang ramah lingkungan, yang kini banyak digunakan oleh manusia, karena biaya perawatannya yang rendah dan tidak menghasilkan noise. Tetapi kemampuan panel surya dalam menghasilkan daya sangat bergantung pada perubahan intensitas cahaya yang di terima oleh panel surya.
Sangat banyak metode yang digunakan untuk memaksimalkan penggunaan panel surya tetapi ada suatu rangkaian elektronika yang paling penting dalam memaksimalkan panel surya yaitu rangakain converter yang berupa buck-boost converter.
Buck-boost converter ini merupakan suatu rangkaian elektronika yang mampu menaikkan dan menurunkan nilai tegangan keluaran dari panel surya, nilai tegangan tersebut akan diatur dengan merubah nilai dari duty cycle. Pada rangkaian buck-boost converter ada beberapa komponen pendukung yang digunakan yaitu induktor, kapasitor, mosfet dan resistor, komponen utama yang digunakan pada rangkaian ini yaitu sebuah induktor yang fungsinya sebagai penyimpan energi listrik yang kemudian disalurkan ke beban. Kemudian tegangan pada beban tersebut merupakan hasil dari energi yang disimpan pada induktor yang ditambahkan dengan tegangan input.
Panel surya dalam menghasilkan energi listrik atau mengubah energi matahari menjadi photon tidak tergantung kepada luas dari bidang silikonnya, secara konstan akan menghasilkan energi sekitar kurang lebih 0.5 Volt – max. 600mV pada 2 amp, dengan kekuatan radiasi dari solar matahari 1000 W/m2 = “1 Sun” akan menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 MA/cm2 per solar cell. Efisiensi konversi energi pada solar cell dapat dilakukan dengan tegangan yang dibangkitkan bergantung kepada luar dari panel surya yang digunakan. Jika dihitung efisiensi konversi energinya adalah sebagai berikut:
Efisiensi = (2.1)
Dimana: V = tegangan yang dibangkitkan, I = arus solar cell, P = rapat daya matahari yang jatuh pada solar cell, dan a = luar solar cell.
Rumus konversi energinya dapat ditulis sebagai berikut:
Efisiensi = (2.2)
Dengan Fi adalah Faktor isi, Is= arus hubungan singkat, V0 = tegangan tanpa beban, P = rapat daya matahari yang jatuh pada solar cell dan a = luar solar cell.
Kebutuhan energi listrik yang merupakan hal penting untuk menunjang kehidupan manusia, dengan meningkatnya jumlah penduduk maka energi listrik yang dibutuhkan akan semakin meningkat, dikarenakan ketersediaan energi listrik yang semakin menipis. Maka solusi alternatif dari dampak krisis energi listrik adalah dengan memanfaatkan energi matahari. Melalui sel surya maka energi matahari dapat di rubah secara langsung menjadi energi listik dalam bentuk tegangan /arus (DC).
Dengan penelitian ini, diharapkan dapat mengetahui bagaimana merancang buck- boost converter yang nantinya akan di sambungkan dengan panel surya. (D.
Sidabutar).
2.6 Display LCD
Liquid Cristal Display atau yang sering disebut dengan LCD merupakan suatu komponen elektronika yang berfungsi sebagai penampil suatu data serial, baik karakter, huruf maupun grafik, terdapat dua bagian pada LCD, yang pertama yaitu panel LCD sebagai media untuk menampilkan suatu informasi dalam bentuk huruf ataupun bentuk angka dua baris, masing-masing dari baris ini bisa menampilkan 16 huruf ataupun angka. Liquid Crystal Display atau LCD ini merupakan modul yang banyak digunakan pada alat elektronika karena tampilan informasinya yang sederhana dan menarik. LCD yang umum digunakan, memiliki panjang hingga 40 karakter ( 2 x 40 dan 4 x 40 ), dimana LCD ini menggunakan DRAM untuk mengatur tempat penyimpanan nya. (Gamayel.R, 2007)
Gambar 2.6 LCD
Keterangan :
1. GND merupakan catu daya ground 0 Vdc 2. VCC merupakan catu daya positif
3. Constrate adalah pin untuk kontras tulisan pada LCD 4. RS atau Register Select terdiri dari:
High : untuk mengirim data
Low : untuk mengirim instruksi 5. R/W atau Read/Write
High : untuk mengirim data
Low : untuk mengirim instruksi
Disambungkan dengan LOW untuk pengiriman data ke layar
6. EN (enable) : untuk mengontrol sambungan ke LCD ketika bernilai LOW, sambungan LCD akan diputus dan tidak dapat diakses,
7. D0 – D7 = Data Bus 0 – 7
8. Backlight + : disambungkan ke VCC guna untuk menyalakan lampu latar.
9. Backlight – : disambungkan ke GND guna untuk menyalakan lampu latar.
Prinsip kerja dari LCD yaitu pada proses pada delay karakter LCD diatur dari pin E, RS, dan RW. Jalur ini berfungsi untuk untuk mengirim sebuah data pada LCD.
Melalui program maka E harus diprogram dengan memberikan logika low “0”
kemudian setting pada 2 jalur kontrol lainnya yaitu RS dan RW. Ketika 2 jalur yang lain sudah siap, lakukan set pada kaki E dengan memberikan logika “1” keudian tunggu beberapa waktu (sesuai data sheet dari LCD yang digunakan ) selanjutnya set kaki E ke logika low “0”. Jalur RS merupakan jalur Register Select. Ketika RS di beri logika low “0”, data akan dianggap sebagai suatu perintah atau instruksi khusus (seperti clear screen, posisi kursor). Ketika RS diberi logika high “1”, data yang dikirim merupakan data text yang kemudian akan ditampilkan pada LCD. Sebagai contohnya, untuk menampilkan sebuah huruf “R” pada layar LCD maka dilakukan set logika high “1” pada RS. Jalur RW merupakan jalur yang digunakan untuk mengontrol yaitu Read/Write. Ketika RW diberi logika low “0”, maka informasi yang ada pada bus data akan ditampilkan pada layar LCD. Ketika RW di beri logika high “1”, maka program akan mulai melakukan pembacaan pada memori LCD. Pada pengaplikasian umum pin RW ini selalu diberikan logika low “0”, hal ini dilakukan
untuk men-set supaya informasi selalu dituliskan pada LCD. Selanjutnya bus data terdiri dari 8 atau 4 jalur (tergantung dengan mode operasi yang dipilih oleh
pengguna). (Hasanah.U, 2016)
2.7 Sensor Pembagi Tegangan
Pembagi tegangan adalah rangkaian sederhana yang dibuat untuk mengubah tegangan yang tinggi menjadi tegangan yang lebih rendah. Dengan menggunakan dua buah resistor yang diserikan dan dengan sebuah input tegangan, kita dapat membuat tegangan output dimana tegangan output ini adalah hasil perhitungan dari tegangan inputnya. Pada penelitian ini meggunakan potensiometer sebagai pembagi tegangannya.
Potensiometer adalah sensor yang menggunakan kontak geser untuk membuat pembagi tegangan disesuaikan. Tegangan disesuaikan ini mengukur posisi.
Potensiometer memberikan tarik sedikit untuk sistem yang mereka secara fisik terhubung ke. Sementara ini diperlukan untuk digunakan sensor jenis ini, potensiometer yang murah dibandingkan dengan sensor posisi lain dan dapat menawarkan akurasi besar.
Gambar 2.7. Cara kerja potensiometer
2.8 Sensor Suhu LM 35
Suhu menurut kamus besar bahasa indonesia adalah ukuran kuantitatif yang dilakukan terhadap panas dan dingin yang diukur dengan termometer sedangkan temperatur adalah ukuran panas dinginnnya badan atau hawa tubuh. Sensor suhu LM35 adalah sebuah komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi suatu besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Keaakuratan sensor LM35 ni sangat tinggi dan mudah dirancangan jika dibandingkan dengan sensor-sensor suhu yang lain, LM35 mempunyai nilai keluaran impedansi yang cukup rendah dan nilai linieritas yang tinggi sehingga menjadi mudah dihubungkan dengan rangkaian-rangkaian kendali khusus dan sensor LM 35 ini tidak memerlukan penyetelan lanjutan. Meskipun tegangan dari sensor ini dapat mencapai 30V tetapi tegangan yang diberikan ke sensor adalah 5 volt, sehingga dapat menggunakan catu daya tunggal. Dengan ketentuan bahwa LM35 ini membutuhkan arus sebesar 60 μA.
Gambar 2.8 Bentuk Fisik Sensor LM35 Adapun keistimewaan dari IC LM35 adalah sebagai berikut:
Kalibrasi dalam satuan derajat celcius.
Lineritas +10 mV/ oC.
Akurasi 0,5 oC pada suhu ruang.
Range +2 oC – 150 oC
Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V.
Arus yang mengalir kurang dari 60 μ A
Cara Kerja Sensor LM35 pada proses antarmuka pada sensor LM35 sangatlah mudah. Pada IC sensor LM 35 ini ada tiga buah pin pada kaki-kakinya yakni pin Vs, pin Vout dan pin ground. Pada pengoperasiannya pin Vs dihubungkan dengan tegangan input sekitar 4 – 20 volt sementara pin Ground-nya dihubungkan dengan ground kemudian pin Vout yang merupakan keluaran akan mengalirkan tegangan sesuai dengan suhu yang diterimanya dari sekitaran sensor.
LM35 memiliki 3 pin pada kakinya yakni Vs, Vout dan ground, fungsi dari masing-masing pin ini antara lain, pin Vs dihubungkan dengan tegangan sebesar 4
Volt – 30 Volt. Pin Ground dihubungkan dengan pin ground lainnya dan pin Vout adalah output yang mengalirkan tegangan yang nilai besarnya sesuai dengan besar suhu yang diterimanya dari sekitar. Keluaran dari sensor ini akan naik sebesar 10 mV pada setiap derajat celcius sehingga dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :
VLM35 = Suhu* 10 mV ( 2.3 )
LM35 dapat ditempelkan dan direkatkan ataupun disemen pada permukaan suatu benda yang akan diukur suhunya namun suhunya akan sedikit berkurang sekitaran 0,01 ºC karena terserap oleh suhu permukaan tersebut. Dengan cara ini maka diharapkan selisih antara suhu dari udara dan suhu dari permukaan akan di deteksi oleh sensor LM35 sama sepeti suhu disekitarnya, jika suhu pada udara disekitar jauh lebih besar atau lebih kecil dari suhu permukaan, maka sensor LM35 akan berada pada suhu permukaannya dan suhu udara disekitarnya .
Prinsip kerja dari alat pengukur suhu LM35 ini, adalah sensor suhu berfungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan, dengan kata lain besar panas yang ditangkap LM35 akan diubah menjadi nilai tegangan. Untuk proses berubahnya panas menjadi tegangan ini dikarenakan pada LM35 ini ada sebuah termistor PTC (Positive Temperature Coefisient), dimana termistor ini akan menangkap adanya perubahan suhu atau panas. Prinsip kerja PTC ini yaitu nilai resistansinya akan nail seiring dengan meningkatnya nilai temperatur suhu.
Resistansi yang semakin besar ini akan menyebabkan nilai tegangan output yang dihasilkan oleh sensor semakin besar.
Sensor suhu LM35 ini bisa mendeteksi suhu dari 0 sampai 100 derajat Celcius dengan tegangan karakteristik 10 mV pada outputnya mewakili 1 derajat Celcius. Jika tegangan ouput mencapai 300 mV maka suhunya adalah 30 derajat Celcius, jika tegangan ouputnya 600 mV berarti suhunya 60 derajat Celcius.
Adapun keistimewaan dari IC LM 35 adalah :
Kalibrasinya dalam satuan derajat celcius.
Lineritas +10 mV/ º C.
Akurasinya 0,5 º C pada suhu ruang.
Range +2 º C – 150 º C.
Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V.
Arusnya kurang dari 60 μ A.
2.9 Relay
Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch).
Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Sebagai contoh, dengan Relay yang menggunakan Elektromagnet 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A (Dickson, 2016)
Gambar 2.9 Relay (Dickson, 2016)
Sebagai komponen elektronika, relay mempunyai peran penting dalam sebuah sistem rangkaian elektronika dan rangkaian listrik untuk menggerakan sebuah perangkat yang memerlukan arus besar tanpa terhubung langsung dengan perangkat pengendali yang mempunyai arus kecil. Dengan demikian, relay dapat berfungsi sebagai pengaman. Relay terdiri dari 3 bagian utama, yaitu :
1) Common, merupakan bagian yang tersambung dengan Normally Close (dalam keadaan normal).
2) Koil (kumparan), merupakan komponen utama relay yang digunakan untuk menciptakan medan magnet.
3) Kontak, yang terdiri dari Normally Close dan Normally Open.
Penemu relay pertama kali adalah Joseph Henry pada tahun 1835. Dalam pemakaiannya, biasanya relay yang digerakkan dengan arus DC dilengkapi dengan sebuah dioda yang diparalel dengan lilitannya dan dipasang terbalik yaitu anoda pada tegangan (-) dan katoda pada tegangan (+). Ini bertujuan untuk mengantisipasi sentakan listrik yang terjadi pada saat relay berganti posisi dari on ke off agar tidak merusak komponen di sekitarnya.
Penggunaan relay perlu memperhatikan tegangan pengontrolnya serta kekuatan relay men-switch arus/tegangan. Biasanya ukurannya tertera pada body relay. Misalnya relay 12VDC/4 A 220V, artinya tegangan yang diperlukan sebagai pengontrolnya adalah 12Volt DC dan mampu men-switch arus listrik (maksimal) sebesar 4 ampere pada tegangan 220 Volt. Sebaiknya relay difungsikan 80% saja dari kemampuan maksimalnya agar aman, lebih rendah lagi lebih aman. Relay jenis lain ada yang namanya reedswitch atau relay lidi. Relay jenis ini berupa batang kontak terbuat dari besi pada tabung kaca kecil yang dililitin kawat. Pada saat lilitan kawat dialiri arus, kontak besi tersebut akan menjadi magnet dan saling menempel sehingga menjadi saklar yang on. Ketika arus pada lilitan dihentikan medan magnet hilang dan kontak kembali terbuka (off). (Rusdianto. G, 2017).
2.10 Transistor
Transistor merupakan semikonduktor yang dipakai sebagai penguat tegangan, sebagai sirkuit pemutus ataupun penyambung yang biasa disebut sebagai swithcing, modulasi sinyal, stabilisasi tegangan ataupun sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi sebagai semacam kran listrik, berdasarkann Arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), kemungkinan pengaliran listriknya sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya. Transistor memiliki 3 buah Terminal, Yaitu terminal Basis (B), terminal emitor (E), dan terminal Kolektor (C).
Transistor merupakan salah satu komponen yang sangat penting di dalam dunia elektronika modern saat ini. Rangkaian analog yang melingkupi pengeras suara, stabilisator atau sumber listrik stabil dan pada penguat signal radio. Dalam beberapa rangkaian digital, transistor biasa digunakan sebagai saklar dengan kecepatan yang tinggi. Beberapa transistor juga bisa dirangkai sedemikian rupa sehingga dapat berfungsi sebagai memori, logic gate dan fungsi rangkaian lainnya
Gambar 2.10 Transistor
2.11 Dioda
Dioda merupakan sambungan bahan p-n yang berfungsi terutama sebagai penyearah. Pada tipe-p akan menjadi sisi anoda dan bahan tipe-n akan sebagai katoda. Tergantung pada polaritas dari tegangan yang diberikana, dioda dapat menjadi sebuah saklar tertutup (jika bagian anodanya mendapatkan tegangan positif (+) sedangkan katodanya mendapat tegangan (-) negatif). Dan dapat menjadi saklar terbuka jika bagian anodanya mendapatkan tegangan negatif (-) dan pada katoda diberikan tegangan positif (+). Kondisi ini dapat terjadi hanya pada dioda yang ideal- konseptual. Pada dioda yang faktual (riil), maka perlu tegangan yang lebih besar dari 0,7 Volt (Untuk bahan dioda yang terbuat dari silikon) pada suatu anoda terhadap suatu katoda agar dioda mampu menghantarkan arus listrik. Tegangan sebesar 0.7 Volt ini disebut dengan tegangan halang atau barrier voltage. Untuk dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang sekitar 0,3 V.(Fahril, 2019)
Gambar 2.11 Simbol Dioda
2.12 Baterai
Baterai/accu merupakan sebuah sel listrik, didalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi.
Proses pengisian baterai merupakan bagian penting agar laju pengisian baterai dapat dilakukan secara optimal. Sistem pengisian harus mampu melakukan pengisian baterai sesuai dengan tegangan dan arus listrik yang dibutuhkan oleh baterai. Bila tegangan dan arus pengisian terlalu besar atau sering disebut dengan istilah overcharging akan menyebabkan beberapa masalah pada baterai. Adapun akibat yang ditimbulkan karena overcharging baterai menjadi cepat rusak, sehingga dibutuhkan sebuah sistem pengisian yang dapat berfungsi sebagai control. (Mosey, 2016).
Baterai merupakan sebuah perangkat yang mengubah energi kimia yang terkandung dalam material aktif menjadi energi listrik melalui proses elektrokimia
dengan reaksi oksidasi-reduksi. Reaksi dalam baterai ini melibatkan reaksi transfer elektron dari satu material ke satu material yang lainnya melalui sebuah sirkuit listrik. Sel baterai adalah unit terkecil dari suatu sistem proses elektro kimia yang terdiri dari elektroda, elektrolit, separator, wadah dan current collector/terminal.
Komponen terpenting dari sel baterai adalah :
1. Elektroda negatif/ anoda, yaitu elektroda yang melepaskan elektron ke rangkaian luar serta mengalami proses oksidasi pada proses elektrokimia.
2. Elektroda positif/ katoda, yaitu elektroda yang menerima elektron dari rangkaian luar serta mengalami proses reduksi pada proses elektrokimia.
3. Penghantar ion/ elektrolit, yaitu media transfer ion yang bergerak dari anoda ke katoda dalam sel baterai saat penggunaan. Fisik elektrolit umumnya berupa cairan/ larutan dimana molekul garam larut didalamnya.
Gambar 2.12. Komponen pembentuk baterai.
Pemilihan kombinasi bahan katoda dan anoda dilakukan sedemikian rupa sehingga mendapatkan beda potensial yang tinggi. (Linden, 2002)
Baterai terdiri dari dua elektroda yang terhubung dengan bahan konduktif ionik yang disebut dengan elektrolit. Dua elektroda memiliki beda potensial yang berbeda. Ketika elektroda terhubung secara eksternal maka elektron secara otomatis akan mengalir dari potensial negatif ke potensial positif. Jumlah energi per massa atau per volume pada baterai dapat memberikan tegangan dan kapasitas pada sel baterai. Komposisi pada baterai dapat ditingkatkan dengan beberapa cara yaitu : Beda potensial yang terdapat pada dua elektroda dan massa dari pertukaran reaksi sekecil mungkin. (Armand,2008)
Ada dua jenis baterai yaitu baterai sekunder dan baterai primer. Baterai primer adalah baterai yang tidak dapat diisi ulang kembali setelah pengisian satu kali dan tidak dapat dipakai untuk pengisian selanjutnya. Sedangkan baterai sekunder adalah jenis baterai yang dapat diisi ulang kembali setelah digunakan dan masih dapat digunakan lagi untuk pengisian selanjutnya. Baterai sekunder dibagikan dalam dua kategori yaitu :
1. Sebagai alat penyimpan energi. Baterai ini tersambung dengan jaringan listrik yang permanen dan jaringan listrik primer saat digunakan.
2. Sebagai sumber energi. Baterai ini dapat diisi ulang kembali setelah daya dari baterai telah habis . (Winter,2004)
Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai ada yang berbentuk tabung atau kotak. Ada juga yang dinamakan rechargeable battery, yaitu baterai yang dapat diisi ulang, seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder.
Baik baterai primer maupun baterai sekunder, kedua-duanya bersifat mengubah energi kimia menjadi energi listrik. Baterai primer hanya bisa dipakai sekali, karena menggunakan reaksi kimia yang bersifat tidak bisa dibalik (irreversible reaction). Sedangkan baterai sekunder dapat diisi ulang karena reaksi kimianya bersifat bisa dibalik (reversible reaction). (Rudi, 2013)
Pada Baterai yang dihubungkan pada solar cell, Tegangan masukan yang dihasilkan dari solar cell yang selalu berubah-ubah dikarenakan tergantung cucacanya maka dibutuhkan suatu converter. Dimana untuk memperoleh tegangan keluaran sesuai yang kita inginkan, butuh sistem pengubah daya atau dc-dc converter. Terdapat dua tipe yaitu tipe linier dan tipe peralihan atau tipe switching (dc chopper). Tipe linier merupakan cara termudah untuk mencapai tegangan keluaran yang bervariasi, namun kurang diminati karena tingginya daya yang hilang (power loss) pada transistor (VCE*IL) sehingga berakibat rendahnya efisiensi.
Sedangkan pada tipe switching, tidak ada daya yang diserap pada transistor sebagai switch. Ini dimungkinkan karena pada waktu switch ditutup tidak ada tegangan yang jatuh pada transistor, sedangkan pada waktu switch dibuka, tidak ada arus listrik mengalir.(Sutedjo dkk, 2010).
2.13 Inverter
Inverter merupakan suatu alat yang digunakan pada peubah listrik yang dapat merubah listrik tegangan DC menjadi listrik tegangan AC dengan mengubah nilai frekuensinya. Inverter menerima sumber tegangan dari DC sebagai tegangan masukan yang dapat diperoleh dari akumulator (aki). Dengan proses penyaklaran dari komponen semikonduktor yang ada pada rangkaian inverter.
Prinsip kerja inverter ini menggunakan switching elektronik yaitu transistor dan mosfet dan juga berbagai IC (integrated circuit) untuk menghasilkan sinyal yang di kendali gelombang keluaran yang berupa gelombang kotak, gelombang sinus modifikasi, maupun gelombang sinusoidal, akibat dari pensaklaran elektronik pada komponen inverter tersebut.
Komponen semikonduktor daya yang digunakan dapat berupa SCR, transistor dan MOSFET yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah. Inverter dapat diklasifikasikan dalam dua jenis, yaitu: inverter satu fasa dan inverter tiga fasa.
Setiap jenis inverter tersebut dapat dikelompokkan dalam empat kategori ditinjau dari jenis rangkaian komutasi pada SCR, yaitu:
(1) modulasi lebar pulsa, (2) inverter resonansi,
(3) inverter komutasi bantu dan (4) inverter komutasi komplemen.
Perbedaan dari listrik satu fasa, dua fasa dan tiga fasa ialah dari jumlah kabel penghantar tegangan. Listrik satu fasa mempunyai dua kabel penghantar, satu kabel netral dan satu kabel fasa. Sedangkan listrik dua fasa dan listrik tiga fasa mempunyai jumlah kabel masing-masing tiga dan empat kabel penghantar dengan tambahan satu kabel netral. Inverter satu fasa banyak digunakan pada listrik berdaya rendah 450- 900 watt. Sedangkan inverter dengan keluaran dua fasa dan tiga fasa digunakan pada listrik yang berdaya besar diatas 900 watt.(S. Nurhabibah Hutagalung,2017).
Output suatu inverter berupa tegangan AC dengan bentuk berupa gelombang kotak (square wave), gelombang sinus modifikasi (sine wave modified), gelombang sinusoidal (pure sine wave). Inverter jenis push pull ini mengeluarkan output CT.
Sebagai contoh inverter adalah peralatan yang sangat diperlukan di ruang lingkup rumah, perusahaan dan pabrik. Inverter merupakan suatu perangkat komponen
elektronik yang kinerjanya mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC. Alat ini sangat dibutuhkan di berbagai daerah apalagi daerah-daerah yang belum terjangkau jaringan listrik. Prinsip kerja inverter menggunakan switching elektronik yaitu transistor dan mosfet dan juga berbagai IC (integrated circuit) untuk menghasilkan sinyal kendali gelombang keluaran berupa gelombang kotak, gelombang sinus modifikasi, maupun gelombang sinusoidal, akibat dari pensaklaran elektronik pada komponen inverter tersebut. (Mundus, R. 2019).
2.14 Mosfet
Mosfet atau Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor merupakan perangkat semikonduktor yang sering digunakan sebagai switch atau penguat signal pada beberapa perangkat elektronik. Mosfet bekerja untuk memvariasikan sepanjang jalur pembawa muatan yaitu electron atau hole. Muatan listrik akan masuk melalui saluran yang ada pada Source dan kemudian akan keluar melalui Drain. Untuk lebar salurannya akan di kendalikan oleh tegangan electroda yang disebut dengan gerbang atau Gate atau gerbang yang terletak diantara Source dan Drain.
Tujuan utama dari MOSFET adalah untuk mengontrol Tegangan dan Arus melalui perantara Source dan Drain. Hampir seluruh komponn ini diguanan sebagai switch. Kapasitas MOS merupakan bagian utama dari MOSFET karena itulah maka kinerja dari MOSFET ini sangat bergantung pada kapasitas dari MOS. MOSFET dapat bekerja layaknya sebuah Transistor, maka dari itu MOSFET bisa diguanakan sebagai switch. Pada MOSFET N-Channel, saat ada tegangan pada Gate nya, maka tegangan dari Source nya akan mengalir ke Drain. sebalik nya, saat tegangan pada Gate tidak ada maka tegangan dari source-nya tidak akan mengalir.
Mosfet memiliki dua mode pada prinsip kerjanya. Yang pertama yaitu mode Depletion Mode dimana pada mode ini tidak ada tegangan yang mengalir pada Gate menyebabkan kondusi pada channel akan berada pada kondisi yang maksimum.
Karena tegangan yang ada pada gerbang positif atau gerbang negatif konduksi pada channel akan menurun. Yang kedua yaitu mode Enhancement Mode, Dimana tidak terdapat tegangan pada Gate, pada posisi ini maka Mosfet tidak akan bersifat konduksi. Namun ketika tegangan mulai meningkat pada Gate, maka sifat konduksi pada Channel ini akan semakin lebih baik. Tujuan MOSFET adalah untuk mengontrol Tegangan dan Arus melalui perantara Source dan Drain. (Ray Mundus, 2019).
3.1 Diagram Blok
Blok diagram ini menunjukkan bagian-bagian dari sistem serta konfigurasi nya sebagai input hingga output. Proses perancangan sistem merupakan bagian yang sangat penting, karena akan menentukan seperti apa alat yang akan dibuat.
Perancangan sistem ini digambarkan dalam bentuk diagram blok. Dimana pada diagram blok ini akan diketahui sistem kerja dari alat yang dibuat. Adapun diagram blok dari perancangan sistem alat ini adalah seperti pada Gambar 3.1 dibawah ini.
Gambar 3.1 blok diagram
Sistem Rangkaian charger pada blok diagram ini dibangun dari arduino uno berbasis ATMega 328P sebagai mikrokontrolernya dan data nya ditampilkan dengan LCD Display yang kemudian dapat dipantau dan dikontrol juga dengan menggunakan IoT Monitoring. Dari diagram blok diatas terlihat bahwa media sistem
Solar Cell
Buck-Boost Converter (Frequency)
Battery Lead Acid
7.2 AH
Relay Inverter
Voltage
Sensor Driver
Arduino Uno
Voltage Sensor
LM 35 Sensor
Driver
ESP 8266 IoT
Monitoring
LCD Display
PWM
Relay
Regulator
220 V AC Voltage
Source
Current Sensor
ini terdiri dari beberapa blok diagram. Berikut ini adalah fungsi dari tiap-tiap blok pada Gambar 3.1 yaitu :
1. Blok Solar Cell : Sebagai sumber energi listrik, suatu elemen aktif yang mengubah energi matahari menjadi energi listrik.
2. V Sensor pada panel surya : Sebagai sensor tegangan yang dibuat pada panel surya, untuk mengukur tegangan yang dihasil kan oleh panel surya.
3. Current Sensor pada panel surya : Sebagai sensor arus yang dibuat pada panel, untuk mengukur nilai arus yang dihasilkan oleh panel surya.
4. Buck-Boost Converter: Sebagai konverter yang digunakan untuk mengibah level tegangan DC yang dihasilkan dari panel surya. Dimana konverter ini mengubah tegangan DC baik ke level yang lebih tinggi maupun ke level yang lebih rendah.
5. Relay pada Buck-Boost Converter : Sebagai Cut-off arus pada rangkaian.
6. Arduino Uno : Sebagai Mikrokontroler
7. Mosfet: Untuk mengatur switching pada baterai.
8. Baterai: Sebagai media penyimpan arus listrik yang dihasilkan dari Solar cell dan juga sebagai penyedia arus yang akan digunakan sebagai charger
9. Regulator: Untuk meregulasi tegangan agar konstan pada 14.2 V
10. Sensor V pada baterai: Sebagai sensor yang di gunakan ntuk mengukur tegangan pada baterai.
11. Sensor LM 35: Sebaagai sensor yang digunakan untuk mengukur suhu baterai.
12. Relay pada baterai :
13. Inverter : Untuk mengubah arus DC ke AC
14. 220V AC Voltage Source : sumber tegangan yang dihasilkan oleh inverter 15. PWM dari Arduino : untuk mengatur frekuensi switching.
16. LCD Display: Sebagai media yang akan menampilkan output teganagn, suhu, kapasitas baterai dll.
17. ESP 8266: Sebagai koneksi internet melalui media WiFi
18. IoT Monitoring : Sebagai media yang digunakan untuk memantau dan mengontrol Aktivitas dari pengisian baterai.
3.2 Diagram Alir Sistem
Gambar 3.2 Diagram Alir Sistem
START
Inisialisasi dan Nilai Awal
Input Sensor Tegangan dan Suhu
Konversi Analog ke Digital
Kalibrasi ke nilai Tegangan dan Suhu
Output ke Display LCD dan ESP 8266
V Baterai < 12,2 V ?
V Baterai > 14,4 V ?
Aktifkan Charger
Nonaktifkan charger
Konversi DC 12 ke AC 220 V
Ya
Tidak
Ya Tidak
V Baterai BANK < 12 V?
Cut off Output Relay
Salurkan Arus Listrik ke Output Ya
Tidak
STOP
A
B
A
B
Program mikrokontroler ini menggunakan Arduino Uno ATMEGA 328P sebagai pengendalinya, Flowchart atau diagram alir diatas menjelaskan aliran kerja sistem yang diatur melalui program. Mikrokontroler berfungsi sebagai pengontrol rangkaian di mulai dari (start) hingga berhenti (stop). Berikut adalah penjelasan dari Diagram Alir Sistem yang digunakan :
1. Start merupakan perintah untuk memulai program.
2. Insialisasi dan nilai awal yaitu menentukan parameter input-output dan perangkat keras yang digunakan seperti port serial, display LCD dansebagainya, Nilai awal diberikan untuk mengatur kondisi awal sistem
3. Input sensor tegangan dan suhu yaitu Program akan mulai membaca masukanya itu masukan dari sensor atau perintah dari user.
4. Konversi Analog ke Digital yaitu Konversi nilai tegangan dan suhu dengan menggunakan ADC (Analog Digital Konverter). Karena data yang didapatkan dari sensor merupakan data analog sehingga harus di konversi menjadi nilai digital.
5. Kalibrasi nilai tegangan dan suhu yaitu Masukan sensor yaitu tegangan panel dan tegangan baterai dan suhu dikalibrasi oleh program menjadi nilai sebenarnya. Program juga membaca sensor-sensor dan mengkalibrasinya.
6. Output ke Display LCD dan ESP 8266 yaitu Hasil kalibrasi ketiga sensor dikeluarkan berupa tampilan pada display LCD. Data juga akan dikirim ke ESP 8266 untuk kemudian di kirim ke server Blynk agar dapat dipantau dan dikontrol oleh user melalui internet.
7. V Baterai < 12,2 V? merupakan kondisi jika Ya maka Aktifkan charger, Jika tidak maka lanjutkan.
8. V > 14.4 Volt? Jika Tidak maka lanjutkan pengisian baterai dan jika Ya maka hentikan pengisian baterai dan lanjutkan.
9. V baterai BANK lebih kecil dari 12 V?, jika Ya maka Cut Off output relay, jika tidak maka salurkan arus listrik ke Output.
10. Konversi DC 12 Volt ke AC 220 Volt
11. Stop merupakan perintah untuk mengakhiri program setelah semua perintah selesai dijalankan.
