H-BRIDGE BERBASIS IOT
HALAMAN JUDUL SKRIPSI
Disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik (S.T)
Disusun Oleh:
SIHONA TUAH REFO MADANGSAY NPM. 3332160092
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA 2023
PRAKATA
Puji syukur sayaapanjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat serta rahmat-Nya, saya dapat menyelesaikan tugas skripsi ini. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka memenuhi salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Jurusan Teknik Elektro pada Fakultas Teknik Universitas Sultan Ageng Tirtayasa. Saya pun menyadari bahwa tanpa bantuan dan bimbingan dari berbagai banyak pihak, dari masa perkuliahan sampai pada penyusunan skripsi ini, amat sangatlah sulit bagi saya untuk dapat menyelesaikan skripsi ini. Oleh karena itu, saya mengucapkan terima kasih banyak kepada:
1. Kedua orang tua tercinta serta seluruh keluarga yang telah memberikan nasehat, semangat, doa, dan materi yang tak terhingga nilainya.
2. Bapak Dr. Romi Wiryadinata, S.T., M.Eng. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro.
3. Bapak Dr. Ing. Muhammad Iman Santoso, S.T., M.Sc. selaku dosen pembimbing 1 yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi ini.
4. Bapak Ir. Lantip Pramono, M.Eng. selaku dosen pembimbing 2 yang telah menyediakan waktu, tenaga, dan pikiran untuk mengarahkan saya dalam penyusunan skripsi ini.
5. Bapak Agusutrisno, M.Sc selaku dosen pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan kepada saya selama masa perkuliahan.
6. Ibu Dr.Ir. Wahyuni Martiningsih, M.T. selaku dosen penguji yang telah menguji sidang skripsi.
7. Bapak Masjudin, M.Eng. selaku dosen penguji yang telah menguji sidang skripsi.
Pada khir kata ini, saya berharap Tuhan Yang Maha Esa berkenan membalas semua kebaikan segala pihak yang telah membantu. Semoga pada skripsi ini membawa manfaat bagi pengembangan ilmu.
Cilegon, 20 Maret 2022
Sihona Tuah Andika Refo Madangsay Teknik Elektro
Rancang Bangun Inverter Pure Sine Wave (PSW) Satu Fasa Dengan Teknik Penguat Akhir H-Bridge Berbasis IOT
Inverter bermanfaat dalam kebutuhan kehidupan sehari-hari sebagai alternatif disaat sumber listrik seperti PLN padam pada malam hari. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah inverter satu fasa dengan pensaklaran Pulse Width Modulation bipolar melalui program mikrokontroler NodeMCU berbasis Internet of Things. Metode penelitian ini memanfaatkkan konsep Internet of Things untuk mengendalikan peralatan elektronik yang dioperasikan dari jarak jauh melalui jaringan internet Hasil dari pengujian telah berhasil dirancang sebuah inverter Pure Sine Wave satu fasa dengan teknik penguat akhir H-Bridge MOSFET IRF540N dengan bantuan trafo step up. Hasil dari pengujian inverter Pure Sine Wave menghasilkan tegangan AC 220V pada frekuensi 49,9 Hz. Sedangkan inverter PSW dapat mencapai tegangan maksimum tertinggi AC hingga 225V.
Kata Kunci:
Inverter, H-Bridge, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), Internet of Things, Pure Sine Wave (PSW).
ABSTRACT
Sihona Tuah Andika Refo Madangsay Electrical Engineering
Design and Build of Single Phase Pure Sine Wave (PSW) Inverter With IoT-Based H-Bridge Final Amplifier Technique
Inverters are useful in the needs of everyday life as an alternative when a power source such as PLN goes out at night. This study aims to design a single-phase inverter with bipolar PWM switching through the NodeMCU microcontroller program based on the Internet of Things (IoT). This research method utilizes the concept of the Internet of Things (IoT) to control electronic equipment that is operated remotely through the internet network. step up transformer. The results of the PSW inverter test produce an AC voltage of 220 Volts at a frequency of 49.9 Hz. While the PSW inverter can reach the highest maximum AC voltage of up to 225 Volts.
Key Words:
Inverter, H-Bridge, Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET), Internet of Things, Pure Sine Wave (PSW).
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN SKRIPSI ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
PRAKATA ... iv
ABSTRAK ... v
ABSTRACT ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ... x
DAFTAR TABEL ... xii
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Rumusan Masalah ... 3
1.3. Tujuan Penelitian... 3
1.4. Manfaat Penelitian ... 4
1.5. Batasan Masalah ... 4
1.6. Sistematika Penulisan ... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1. Baterai ... 6
2.2. Inverter ... 6
2.3. Gelombang pada Inverter ... 7
2.4. Rangkaian MOSFET H-Bridge ... 8
2.5. Internet Of Things ... 9
2.6. Sensor Arus ACS712 ... 10
2.7. Sensor Tegangan ZMPT101B ... 11
2.8. Sensor Tegangan Voltage Devider ... 11
2.9. NodeMCU ... 12
2.10. LCD ... 13
2.11. Modul I2C ... 14
2.12. Transformator ... 14
2.13. Relay... 15
2.14. Blynk App ... 16
2.15. Kajian Pustaka ... 17
BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 20
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ... 20
3.2. Alat dan Bahan ... 20
3.3. Metode Penelitian ... 21
3.4. Diagram Alir Penelitian ... 21
3.5. Instrumen Penelitian ... 23
3.6. Desain Rancangan Alat ... 25
3.6.1. Schematic Perancangan Rangkaian Kendali ... 26
3.6.2. Rangkaian Regulator Tegangan ... 28
3.6.3. Rangkaian Penguat ... 29
3.6.4. Rangkaian H-Bridge ... 30
3.7. Perancangan Sensor Tegangan... 30
3.8. Perancangan Sensor Arus ... 31
3.9. Metode Pulse Width Modulation Controller ... 32
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 34
4.1. Desain dan Perancangan Alat ... 34
4.2. Pengujian Tegangan Keluaran Arduino UNO ... 35
4.3. Pengujian Sensor Tegangan ... 37
4.4. Pengujian Sensor Arus... 38
4.5. Hasil Pengujian Operasional Alat ... 39
4.6. Analisis dan Pembahasan ... 42
4.6.1. Pengukuran Tegangan dan Arus Tanpa Beban ... 42
4.6.2. Pengukuran Tegangan dan Arus dengan Beban Lampu ... 43
4.6.3. Pengukuran Tegangan dan Arus dengan Beban Laptop ... 44
4.6.4. Pengukuran Tegangan dan Arus dengan Beban Charger HP ... 45
4.7. Tampilan Serial Monitor Pengujian Alat ... 46
4.8. Tampilan LCD ... 47
4.9. Tampilan Blynk App ... 48
BAB V PENUTUP ... 50
5.1. Kesimpulan ... 50
LAMPIRAN ... 54 LAMPIRAN A Dokumentasi ... A-1 LAMPIRAN B Listing Code Arduino ... B-1
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Square wave inverter ... 7
Gambar 2.2 Modified sine wave inverter ... 7
Gambar 2.3 Pure sine wave inverter ... 8
Gambar 2.4 Rangkaian H-Bridge MOSFET ... 8
Gambar 2.5 Sensor arus ACS712 ... 10
Gambar 2.6 Sensor tegangan ZMPT101B ... 11
Gambar 2.7 Sensor tegangan voltage devider ... 12
Gambar 2.8 Modul NodeMCU ... 13
Gambar 2.9 LCD 16x2 ... 13
Gambar 2.10 Modul I2C ... 14
Gambar 2.11 Platform blynk ... 16
Gambar 3.1 Diagram alir pemecahan masalah ... 22
Gambar 3.2 Hantek 6022BE ... 24
Gambar 3.3 Multimeter XL830L ... 24
Gambar 3.4 Blok diagram alat... 25
Gambar 3.5 Schematic rangkaian kendali ... 27
Gambar 3.6 Regulator tegangan ... 28
Gambar 3.7 Rangkaian penguat sinyal ... 29
Gambar 3.8 Rangkaian H-bridge dengan 4 MOSFET... 30
Gambar 3.9 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor tegangan ... 31
Gambar 3.10 Rangkaian sensor arus ... 32
Gambar 3.11 Rangkaian osilator DC 12V AC 220V... 32
Gambar 4.1 Desain alat ... 34
Gambar 4.2 Pengujian Arduino UNO setting high ... 35
Gambar 4.3 Pengujian Arduino UNO setting low ... 36
Gambar 4.4 Gelombang keluaran inverter pada serial monitor ... 40
Gambar 4.5 Pengujian alat dengan beban lampu ... 41
Gambar 4.6 Pengujian alat dengan beban lampu 20 Watt ... 43
Gambar 4.7 Pengujian alat menggunakan beban charger laptop ... 44
Gambar 4.11 Tampilan Blynk app saat inverter dalam kondisi ON... 48 Gambar 4.12 Tampilan Blynk app saat inverter dalam kondisi OFF ... 49
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Contoh penerapan internet of things ... 9
Tabel 3.1 Konfigurasi pin Arduino ... 27
Tabel 4.1 Pengujian tegangan keluaran Arduino UNO ... 36
Tabel 4.2 Hasil pengujian sensor tegangan ... 37
Tabel 4.3 Hasil pengujian sensor arus ... 38
Tabel 4.4 Hasil pengujian rangkaian inverter ... 39
Tabel 4.5 Hasil pengujian inverter dengan beban lampu 20 Watt ... 41
Tabel 4.6 Pengukuran tegangan dan arus tanpa beban ... 42
Tabel 4.7 Pengukuran tegangan dan arus dengan beban ... 43
Tabel 4.8 Pengukuran tegangan dan arus dengan beban charger laptop ... 44
Tabel 4.9 Pengukuran tegangan dan arus dengan beban charger handphone ... 46
1.1. Latar Belakang
Baterai sudah dikenal. Baterai terdiri dari tiga bagian penting. Batang karbon sebagai katoda, seng (Zn) sebagai anoda, dan juga pasta sebagai elektrolit atau konduktor. Baterai adalah komponen yang biasa digunakan di laboratorium kimia sekolah dan terbuat dari bahan sel volta karena kesederhanaan perangkat tersebut. Baterai adalah media yang dapat mengubah energi kimia yang terkandung dalam bahan aktif secara langsung menjadi energi listrik melalui reaksi reduksi atau reaksi oksidasi pada elektroda. Baterai banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari, misalnya pada jam dinding, remote control, dan senter [1]. Penyimpanan daya baterai biasanya menggunakan baterai DC 12 volt.
Diperlukan suatu alat atau perangkat yang dapat mengubah catu daya searah dari aki 12 volt DC menjadi tegangan 220 volt yang dapat digunakan oleh alat elektronik yang disebut inverter[2].
Inverter ditemukan dalam segala hal mulai dari alat-alat rumah tangga misalnya lampu, komputer, televisi, dan kipas angin, sampai alat pertukangan seperti gerinda dan bor, dan segala sesuatu dengan sistem jarak jauh dan catu daya, menjadikan inverter bagian penting dari kehidupan sehari-hari ke Pasokan listrik di daerah terpencil atau saat pasokan listrik seperti PLN mati pada waktu malam hari [3]. Inverter ini sangat cocok sebagai catu daya cadangan baik untuk kendaraan maupun rumah. Ini juga bagus sebagai sumber daya cadangan saat rumah kehabisan daya untuk penerangan, kipas angin, pengisian daya laptop, dan kebutuhan konsumsi daya rendah lainnya. Selain itu, inverter DC-AC juga berperan penting dalam mengubah daya DC dari panel surya menjadi daya AC untuk penggunaan sehari-hari [4]. Fungsi inverter energi DC-AC adalah sebagai masukan bahkan sering mengambil energi DC yang ditawarkan melalui baterai.
Seperti baterai kendaraan 12 volt dan juga tingkatan langsung ke sumber AC 120 volt. Daya yang beroperasi pada frekuensi dasar 50 Hz, meniru daya pada hubungan outlet listrik rumah tangga biasa dan untuk yang tinggi [5]. Sektor domestik merupakan salah satu konsumen listrik terbesar. Penjualan tenaga listrik
2
pada tahun 2013 silam sebesar 187.541 GWh, dan meningkat 7,79%
dibandingkan pada tahun sebelumnya. Kelompok pengguna perumahan (RT) mengkonsumsi listrik sebesar 77.211 GWh atau setara dengan 41,17%, sektor industri sebesar 64.381 GWh atau 34,33%, sektor komersial sebesar 34.498 GWh atau 18,40%, dan lainnya, dan Mengonsumsi gedung pemerintah dan lainnya.
Penerangan pada jalan umum sebesar 11.451 GWh atau 6,11% [6]. Inverter juga dapat digunakan untuk tujuan transmisi dan distribusi daya. Inverter yang digunakan adalah inverter DC-AC grid connected [7]. Inverter juga dapat digunakan untuk mengetahui kinerja motor induksi tiga fasa yaitu inverter ATV12HU15M2 yang dapat mengendalikan perubahan nilai frekuensi sebagai input [8].
Pada rangkaian elektronika, seringkali diperlukan pengukuran arus untuk mengetahui berapa besar arus listrik yang terhubung pada rangkaian tersebut.
Satuan untuk arus ialah ampere dan simbolnya adalah A. Ampere merupakan satuan arus yang besar, jadi tidak sering digunakan pada rangkaian elektronika berdaya rendah [9]. Sebagian besar rangkaian inverter yang ada di pasaran dan sering dipelajari mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik dalam bentuk gelombang persegi atau square wave. Rangkaian inverter yang menghasilkan gelombang persegi memiliki beberapa kerentanan yang dapat merusak elektronik karena tegangan yang tidak stabil. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa modulasi lebar pulsa (PWM) dapat diterapkan pada inverter sebagai kendali dan rangkaian kecepatan tinggi [10]. PWM memiliki lebar pulsa yang perlu bervariasi tergantung pada amplitudo gelombang sinus.
Salah satu dari konfigurasi inverter yang sering digunakan adalah rangkaian H-bridge. Sebuah inverter dengan rangkaian H-bridge dapat mengalir dan mendapatkan tegangan keluaran yang berundak tanpa memerlukan dioda atau kapasitor penyeimbang tegangan pada rangkaian tersebut [11]. Rangkaian H- bridge bekerja dengan menyesuaikan kombinasi saklar yang digerakkan. Saklar yang sering digunakan adalah Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET). Keunggulan MOSFET sebagai komponen switching adalah kecepatan switching yang cepat dan tidak ada gangguan arus [12].
Internet of Things (IoT) ialah suatu konsep yang ditujukan untuk menambah manfaat dari konektivitas Internet yang terhubung secara berkelanjutan [13]. IoT juga bisa digunakan untuk menjadi kendali perangkat elektronik yang dapat dikendalikan dari jarak jauh menggunakan jaringan komputer yang terhubung dengan internet. Pesatnya perkembangan teknologi harus dimanfaatkan dan diterapkan dalam kehidupan sehari-hari [14]. IoT berupaya menghubungkan perangkat satu sama lain melalui Internet, dan berharap sistem ini akan membantu orang menyelesaikan tugas dan bekerja lebih mudah dan efisien [15].
Berdasarkan permasalahan yang ada, penelitian ini menggunakan inverter satu fasa dengan rangkaian PWM bipolar menggunakan program mikrokontroler NodeMCU ESP8266. Mengembangkan konsep Internet of Things (IoT) dapat diterapkan dalam kehidupan sehari-hari. Ini menghasilkan output gelombang sinus murni dengan frekuensi dasar 50Hz dan menggunakan proses power amplifier H-bridge MOSFET IRF540N.
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang penelitian ini, diperoleh beberapa rumusan masalah sebagai berikut.
1. Bagaimana merancang dan mengimplementasikan inverter pure sine wave (PSW) satu fasa dengan teknik penguat akhir H-Bridge MOSFET IRF540N?
2. Bagaimana tahap-tahap pengujian inverter Pure Sine Wave (PSW) satu fasa dengan menggunakan beban lampu, charger HP, dan charger laptop?
3. Bagaimana penerapan inverter pure sine wave (PSW) dengan konsep Internet of Things (IoT)?
1.3. Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian yang dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
4
1. Merancang sebuah inverter satu fasa dengan switching PWM bipolar menggunakan program mikrokontroler NodeMCU berbasis Internet of Things (IoT).
2. Mengetahui hasil keluaran dari gelombang sinus murni berfrekuensi dasar 50 Hz.
3. Menganalisa efektifitas sistem Internet Of Things (IoT) menggunakan aplikasi Blynk.
1.4. Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan pada penelitian ini yaitu bisa memberikan kontribusi-kontribusi di kehidupan masyarakat, antara lain:
1. Dapat dijadikan sumber daya listrik sementara apabila terjadi pemadaman listrik di waktu-waktu tertentu.
2. Membuat sebuah gagasan penelitian menggunakan inverter satu fasa dengan frekuensi dan voltage yang dapat disesuaikan.
3. Hasil dari penelitian yang dapat memberikan gambaran referensi baru sebagai rancang bangun inverter satu fasa dengan sumber daya yang semakin besar.
1.5. Batasan Masalah
Supaya pembahasan pada penelitian tetap pada konsep dan struktur yang telah disusun secara sistematis maka perlu diadakan batasan masalah yang dilakukan pada penelitian saat ini. Batasan-batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Rancang bangun inverter PSW satu fasa ini menggunakan tegangan baterai 12 VDC dan keluaran pure sine wave.
2. Rangkaian driver menggunakan modul NodeMCU serta pensaklaran atau switching menggunakan Mosfet IRF540N.
3. Menggunakan beban lampu, beban laptop, charger HP untuk pengujian inverter dengan transformator 2 A.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan yang terdapat pada susunan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menjelaskan tentang latar belakang masalah dalam penelitan ini, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah serta sistematika penulisan.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini terdapat kajian dari teori-teori yang dibutuhkan dalam penelitian, yang diantaranya mengenai inverter satu fasa, Pulse Width Modulation (PWM), Internet of Things (IoT), komponen elektronika yang digunakan serta H-Bridge MOSFET IRF540N.
BAB III METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas tentang tahapan-tahapan dari penelitian yang dilakukan, antara lain mendesain blok diagram sistem, tahap perancangan dan pemrograman nilai PWM dan pengaturan frekuensi.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini menjelaskan tentang pembahasan utama yaitu mendeskripsikan data desain inverter, data pengukuran, analisis perhitungan dan analisis pembahasan.
BAB V PENUTUP
Bab ini membahas tentang hasil akhir dari penelitian yang telah dilakukan dari awal hingga akhir dengan memuat kesimpulan dan saran.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Baterai
Baterai atau aki adalah sel tempat berlangsungnya proses elektrokimia reversibel dengan efisiensi tinggi [16]. Proses elektrokimia reversibel yaitu baterai yang dapat terjadi pada proses perubahan energi kimia menjadi energi listrik atau pelepasan energi listrik menjadi kimia. Pengisian ulang regeneratif dari elektroda yang digunakan dicapai dengan melewatkan arus berlawanan arah atau polaritas melalui sel. Baterai yang digunakan terdiri dari beberapa sel dengan tegangan 2,1 V per sel. Artinya, aki mobil dan aki sepeda motor dengan tegangan 12 V terdiri dari 6 sel yang dihubungkan secara seri. Jadi 12,6 V sama dengan 6 x 2,1 V [3].
Jenis baterai yang digunakan yaitu baterai Lead Acid, biasa disebut H2SO4 atau baterai basah, dan baterai alkalin, disebut NiCd, yang dihubungkan secara seri untuk mendapatkanntegangan 24V DC.
2.2. Inverter
Inverter merupakan rangkaian atau perangkat elektronik yang dapat merubah daya DC menjadi daya AC pada tegangan dan frekuensi yang dibutuhkan, tergantung pada desain rangkaiannya [10]. Sumber arus DC yang menjadi masukan dari power inverter berupa baterai, aki, dan sel surya. Inverter ini sangat nyaman digunakan di area yang daya AC-nya terbatas. Inverter dapat memungkinkan menggunakan baterai atau sel surya untuk memberi daya pada peralatan rumah tangga seperti TV, lemari es, dan bahkan mesin cuci. Peralatan ini biasanya membutuhkan daya AC dengan tegangan 220 V atau 110 V. Inverter mempunyai output yang dapat berupa tegangan AC berbentuk gelombang sinus atau sine wave, square wave atau gelombang kotak, dan modified sine wave atau gelombang sinus yang dimodifikasi. Inverter dapat menggunakan baterai, tenaga surya, atau sumber tegangan DC lainnya sebagai sumber tegangan inputnya. Saat mengubah DC menjadi AC, inverter perlu menaikkan tegangan menggunakan trafo step-up.
2.3. Gelombang pada Inverter
Inverter paling sederhana adalah Square wave inverter. Kualitas inverter jenis ini sangat buruk, namun mampu menghasilkan tegangan 220 VAC, 50 Hz [17]. Pada Gambar 2.1 merupakan square wave inverter.
Gambar 2.1 Square wave inverter [17]
Pada Gambar 2.1 terdapat sebuah gambar square wave inverter yang dapat menghasilkan 220VAC dan 50Hz tetapi memiliki kualitas yang kurang baik.
Modified sine wave yang disebut modified square wave atau gelombang sinus semu, karena gelombang sinus yang dimodifikasi hampir sama dengan gelombang persegi, tetapi dalam Modified sine wave diperlukan beberapa waktu menyentuh titik nol sebelum output berubah menjadi positif atau negatif[17]. Pada Gambar 2.2 merupakan modified sine wave inverter.
Gambar 2.2 Modified sine wave inverter [17]
Pada Gambar 2.2 merupakan contoh gambar modified sine wave inverter.
Melalui gambar tersebut, dapat diketahui bahwa gelombang sinyalnya menyerupai square wave namun keluaran nya menyentuh titik nol sehingga dapat dikatakan lebih baik daripada square wave. Pure Sine Wave atau gelombang sinus sejati adalah gelombang inverter yang mendekati gelombang sinus sempurna dan memiliki distorsi harmonik total (THD) <3% sehingga sangat bagus untuk semua
8
elektronik. Inverter ini dikenal sebagai catu daya bersih. Pada Gambar 2.3 merupakan pure sine wave inverter.
Gambar 2.3 Pure sine wave inverter [17]
Pada Gambar 2.3 terdapat gambar gelombang dari pure sine wave inverter.
Seperti dapat dilihat, metode yang biasanya digunakan dalam jenis inverter ini dikenal sebagai modulasi lebar pulsa (PWM). PWM dapat mengubah tegangan DC secara keseluruhan menjadi tegangan AC dengan bentuk gelombang yang mendekati gelombang sinusoidal[17].
2.4. Rangkaian MOSFET H-Bridge
Rangkaian H-bridge MOSFET merupakan konfigurasi switching inverter dari empat buah saklar, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), disusun menyerupai huruf H seperti terlihat pada Gambar 2.4 [12].
Rangkaian H-bridge MOSFET dapat mengendalikan saklar aktif diwaktu tertentu.
Tegangan yang melintasi beban berupa positif ataupun negatif. Gambar 2.4 menunjukkan rangkaian H-bridge MOSFET.
Gambar 2.4 Rangkaian H-Bridge MOSFET [12]
Pada Gambar 2.4 menunjukkan bahwa berdasarkan kelebihan dari rangkaian H-bridge menggunakan saklar MOSFET, pembahasan pada penelitian kali ini yaitu perancangan inverter satu fasa menggunakan rangkaian H-bridge MOSFET sebagai penguat akhir. Inverter ini merubah energi listrik dari tegangan 12 V DC menjadi 220 V AC pada frekuensi 50 Hz.
2.5. Internet Of Things
Ide atau skenario suatu objek yang dapat mengirimkan data melalui jaringan tanpa memerlukan interaksi manusia atau komputer dikenal sebagai Internet of Things, atau IoT [18]. Subjek di Internet of Things adalah sesuatu. Misalnya, individu dengan monitor jantung implan, ternak dengan transponder biochip, dan mobil dengan sensor bawaan yang memberi tahu pengemudi saat tekanan ban terlalu rendah adalah contoh contohnya. Di masa lalu, komunikasi mesin-ke- mesin di bidang manufaktur, listrik, minyak dan gas, dan Internet of Things (IoT) sangat erat kaitannya. Produk yang dapat berkomunikasi dengan perangkat M2M sering disebut sebagai intelligent atau sistem cerdas.cerdas.
Peningkatan IoT yang sedang berlangsung adalah bahwa sebuah objek dapat diberi pengenal sebagai alamat IP dan dapat menggunakan organisasi web untuk berkomunikasi dengan item lain yang memiliki pengenal alamat IP. Internet of Things bekerja menggunakan argumen pemrograman yang mengarah ke interaksi antara mesin lain untuk setiap perintah argumen. Perintah argumen terhubung secara otomatis terlepas dari jarak berapapun tanpa campur tangan manusia Pada Tabel 2.1 merupakan contoh penerapannya.
Tabel 2.1 Contoh penerapan internet of things [14]
No Implementasi Internet Of
Things Hasil
1 Bidang Keamanan Keamanan dengan kamera CCTV untuk rumah, jalan dan gedung dapat
dikendalikan dimana saja.
2 Bidang Properti Eskalator, sistem pendingin gedung, sistem keamanan, CCTV, sistem manajemen, listrik, pipa ledeng, dll.
10
3 Bidang Kesehatan (Medis) Sensor detak jantung dan sensor lainnya dapat dipasang ke pasien dan
dihubungkan ke ruang pusat kendali untuk memantau kondisi pasien secara otomatis, mengirimkan peringatan jika terjadi kesalahan, menggunakan sistem pembayaran rumah sakit, dll.
Pada Tabel 2.1 menunjukkan bahwa Internet berfungsi sebagai jembatan antara interaksi dua mesin, sementara manusia hanya mengendalikan dan memantau pengoperasian perangkat mereka secara langsung.
2.6. Sensor Arus ACS712
Sensor ACS712 memiliki output 100 mV/A dan dapat mengukur arus dari 0 hingga 20 Ampere. Sensor tersebut menggunakan hall effect yang bekerja sesuai dengan prinsip Lorentz. Sensor ini memiliki tegangan operasi 5 V dan resistansi internal 1,2 m [19]. Pada Gambar 2.5 merupakan gambar sensor arus ACS712.
Gambar 2.5 Sensor arus ACS712 [19]
Pada Gambar 2.5 merupakan gambar sensor arus ACS712. Bagian-bagian dari sensor arus ACS712 adalah sebagai berikut:
Pin 1: IP+ merupakan input arus Pin 2: IP+ merupakan input arus Pin 3: IP- merupakan output arus Pin 4: IP- merupakan output arus Pin 5: Pembumian atau Ground Pin 6: Koneksi kapasitor eksternal Pin 7: Output tegangan analog Pin 8: Daya 5 Volt
2.7. Sensor Tegangan ZMPT101B
Pada contoh ini sensor ZMPT101B digunakan untuk mengukur tegangan.
Sensor ini berasal dari trafo step down ZMPT101B dan digunakan untuk menampilkan tegangan pemanggilan PLN dibandingkan dengan 0 s.d. 5V tegangan yang dapat diaktifkan oleh mikrokontroler. Pada Gambar 2.6 merupakan skematik sensor tegangan ZMPT101B [19].
Gambar 2.6 Sensor tegangan ZMPT101B
Berdasarkan pada Gambar 2.6 menunjukan sebuah gambar yang merupakan rancangan sensor tegangan ZMPT101B. Rumus yang digunakan dalam perhitungan sensor tegangan ditujukan pada persamaan (2.1).
U2 =𝑈1
𝑅 𝑥 𝑅′ (2.1)
Untuk mendapatkan tegangan input, gunakan rumus yang ditujukan pada persamaan (2.2).
U1 =𝑈2
𝑅′ 𝑥 𝑅 (2.2)
Nilai U1 atau tegangan masukan didapatkan melalui pembagian antara U2 atau tegangan keluaran dengan R’ atau tahanan pembatas arus yang dikali dengan R atau tahanan pembanding.
2.8. Sensor Tegangan Voltage Devider
Pembagi tegangan atau Voltage Devider adalah rangkaian langsung yang menurunkan tegangan tinggi. Pada rangkaian elektronika, pembagi tegangan ini membagi tegangan masukan menjadi satu atau lebih tegangan keluaran yang dibutuhkan oleh komponen rangkaian lainnya. Regulator tunggal dan tegangan input catu daya dapat digunakan untuk membuat pembagi tegangan langsung.
Persamaan dan rangkaian pembagi tegangan adalah dua langkah penting dalam
12
merancang pembagi tegangan.. Pada Gambar 2.7 merupakan sensor tegangan voltage devider.
Gambar 2.7 Sensor tegangan voltage devider
Pada Gambar 2.7 merupakan gambar sensor tegangan voltage devider.
Aturan kerja dari pembagi tegangan yang digunakan adalah mendapatkan masukan dari catu daya 12V dan kemudian meneruskannya ke pengendali atau trimpot yang berfungsi mengatur tegangan sehingga dapat dibaca dengan baik oleh ADC. Agar voltase terbaca, compiler mengatur voltase menjadi 10V. ADC kemudian memproses data dan menghasilkan pembacaan tegangan pada monitoring.
2.9. NodeMCU
Papan pengembangan ESP-12E dengan chip ESP8266 adalah NodeMCU ESP8266. NodeMCU ESP8266 yang digunakan dalam penelitian ini memiliki mikroprosesor RISC LX106 RXC Tensilica 32-bit yang dapat berjalan pada kecepatan clock 80 hingga 160 MHz. NodeMCU ESP8266 sangat baik untuk proyek berbasis IoT karena memiliki memori flash 4 MB, RAM 128 KB, dan konektivitas transceiver wifi dengan standar 802.11 b/g/n yang beroperasi pada 2,4 GHz dan 5V. [20]. Pada Gambar 2.8 merupakan modul NodeMCU.
Gambar 2.8 Modul NodeMCU [20]
Pada Gambar 2.8 merupakan gambar modul NodeMCU. NodeMCU ESP8266 ini memiliki lebih dari satu model dan versi, pada penelitian ini versi yang digunakan yaitu versi 1.0 dari vendor LoLin yangmmemiliki pin GPIO sebanyak 13 pinddan pin ADC sebanyak 1 pin yang akan digunakan untuk masukkan dataddari sensor.
2.10. LCD
Campuran organik diapit di antara lapisan kaca bening dengan elektroda indium oksida transparan berupa layar tujuh segmen dan lapisan elektroda pada kaca belakang dalam LCD (Liquid Crystal Display) [20]. Ketika terminal dipicu oleh medan listrik atau tegangan, lapisan sandwich memiliki polarizer vertikal di depan dan polarizer horizontal di belakang, diikuti oleh lapisan pintar. Segmen yang diaktifkan tampak gelap karena cahaya yang dipantulkan tidak dapat melewati molekul yang terpasang, membentuk fitur data. Pada Gambar 2.9 merupakan tampilan fisik dari LCD.
Gambar 2.9 LCD 16x2 [21]
14
Pada Gambar 2.9 merupakan gambar dari LCD. Lapisan reflektor diikuti oleh polarizer vertikal depan dan polarizer horizontal belakang pada lapisan sandwich. Segmen yang diaktifkan tampak lebih gelap, membentuk huruf dari data yang ditampilkan, karena cahaya yang dipantulkan tidak dapat melewati molekul pelurus.
2.11. Modul I2C
Modul LCD dalam modul I2C dikendalikan secara serial sesuai dengan protokol I2C/IIC atau TWI (Two Wire Interface). Modul LCD umumnya ditentukan dalam barisan untuk jalur informasi dan kendali. Namun, garis paralel menempati banyak pin pengendali, seperti yang ada di komputer, arduino, dan sebagainya. Rute paralel membutuhkan 6 s.d. 7 pin untuk mengendalikan modul LCD[22]. Pada Gambar 2.10 merupakan Modul I2C.
Gambar 2.10 Modul I2C [22]
Pada Gambar 2.10 merupakan gambar modul I2C. Regulator yang perlu mengendalikan banyak I/O, menggunakan cara yang sama tentu bukan solusi yang baik. Gambar 2.10 menggambarkan modul untuk konverter I2C.
Pengendalinya adalah produk ICPCF8574 dari NXP. IC ini pada dasarnya adalah ekspander I/O 8-bit seperti register geser untuk bus I2c..
2.12. Transformator
Trafo adalah suatu alat yang dimaksudkan untuk mengubah tegangan tertentu menjadi tegangan lain dengan ukuran yang berbeda, berdasarkan aturan pendaftaran elektromagnetik [16]. Elektronik dan sistem tenaga keduanya sangat
memungkinkan untuk memilih voltase ekonomis yang sesuai dengan semua kebutuhan, termasuk kebutuhan voltase tinggi saat mentransmisikan energi listrik jarak jauh. Dalam peralatan elektronik, salah satu kegunaan transformator adalah sebagai penggandengan impedansi antara sumber dan beban, mengisolasi satu rangkaian dari rangkaian lainnya dan memungkinkan arus bolak-balik mengalir di antara rangkaian sekaligus mencegah arus searah.
Pada dasarnya trafo terdiri dari dua buah kumparan, khususnya loop esensial dan loop opsional. Kumparan sekunder mengubah atau mengubah tegangan pada kumparan primer, dan besarnya perubahan atau perubahan ini ditentukan oleh jumlah putaran yang dilakukan oleh kedua kumparan tersebut. Jika terdapat kumparan pada kumparan primer N1 yang dialiri oleh sumber tegangan V1 dan kumparan pada kumparan sekunder N2, maka tegangan pada kumparan sekunder sebesar: Persamaan (2.3).
V1 = 𝑁2
𝑁1 𝑉2 (2.3)
Nilai V1 atau tegangan primer didapatkan melalui pembagian antara N2 atau jumlah lilitan sekunder dengan N1 atau jumlah lilitan primer yang dikali dengan V2 atau tegangan sekunder.
Dua prinsip muncul dalam transformator yaitu hukum Oersted untuk kumparan primer dan hukum Faraday untuk kumparan sekunder. Kedua hukum itu terdengar seperti berikut ini:
1. Hukum Faraday menyatakan bahwa medan magnet statis yang bergerak dengan waktu menghasilkan tegangan induksi, yang pada gilirannya menghasilkan arus induksi.
2. Hukum Oersted mengatakan bahwa ketika arus dilewatkan melalui kawat penghantar, medan magnet dihasilkan di sekitar kawat.
2.13. Relay
Sakelar yang dikendalikan oleh elektromagnetisme dikenal sebagai relay.
Medan magnet yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui kumparan relay menarik lengan relay sehingga menyebabkan posisi saklar bergeser dari terputus menjadi tersambung [22].
16
Ada tiga jenis kutub yang berbeda pada relay, kutub referensi adalah COMMON, kutub yang awalnya terhubung ke COMMON adalah NC (Normally Close), dan kutub yang awalnya terbuka kemudian dihubungkan ke COMMON ketika arus listrik dialirkan ke kumparan relay NO (Normally Open).
2.14. Blynk App
Blynk merupakan platform atau aplikasi baru yang memungkinkan untuk membuat interface dengan cepat untuk mengendalikan dan juga memantau project perangkat keras dari perangkat iOS dan Android. Pada Gambar 2.11 merupakan tampilan Blynk App.
Gambar 2.11 Platform Blynk [23]
Pada Gambar 2.11 merupakan gambar tampilan dari platform Blynk. Setelah mengunduh aplikasi Blynk, kemudian dapat membuat dasbor tugas dan melihat tombol, penggeser, grafik, dan item lainnya di layar. Pin dapat diaktifkan atau dinonaktifkan, dan data sensor dapat ditampilkan, berkat widgetnya.
Menghubungkan ke proyek langsung seperti kendali pencahayaan jarak jauh atau pemantauan suhu sangatlah mudah dengan Blynk. Blynk adalah Internet of Things (IoT) yang dimaksudkan untuk membaca informasi pengendali dan sensor dengan cepat dan efektif dari gadget Arduino atau ESP8266. Blynk bukan hanya cloud Internet of Things. Saat mengembangkan aplikasi yang berarti untuk produk dan layanan yang terhubung, Blynk adalah solusi lengkap yang menghemat waktu dan sumber daya. Tujuan dari Blynk adalah untuk memudahkan mengakses perangkat
2.15. Kajian Pustaka
Berdasarkan penelitian yang dilakukan, terdapat acuan dari beberapa penelitian terdahulu yang berkaitan dengan tema yang diangkat pada penelitian ini sebagai bentuk perbandingan agar ditemukan sisi-sisi pembeda dari penelitian- penelitian sebelumnya. Kajian pustaka penelitian diambil dalam kurun waktu 5 tahun terakhir.
Pada penelitian awal artikel ini, mempresentasikan proposal desain inverter menggunakan dua metode yaitu SHF dan SPWM. Untuk memenuhi persyaratan driver SPWM, skema SHF menaikkan tegangan input menjadi 400 VDC.
Gelombang yang dihasilkan oleh SPWM memiliki ripple yang sangat kecil dan menyerupai gelombang sinusoidal murni. Tegangan output inverter yang diimplementasikan desain adalah hingga 220 VAC. 225 VAC, daya 400 watt, dan pengulangan 50,76 Hz, yang memenuhi spesifikasi normal. Konfigurasi inverter pada penelitian ini dapat menyalakan beban seperti lampu, kipas angin, besi pengikat, dan charger handphone asalkan total beban yang digunakan tidak melebihi 400 watt [24].
Beberapa kendali sudah dilengkapi dengan umpan balik tegangan output, sehingga akan mati ketika tegangan output mencapai level rendah tertentu sebesar 176V. Hasil output terbaik yaitu gelombang sinusoida murni yang di peroleh dari modul inveter EGS-900 yang menggunakan controller EGS-002. Menggunakan controller yaitu generator SPWM (Sinusoidal Pulse Wide Modulation) dengan ripple input 24V DC. Besarnya tegangan dan daya yang dihasilkan oleh sebuah inverter sangat bergantung pada trafo yang digunakan, semakin baik kualitas trafo maka semakin baik pula daya output inverter [25].
Perancangan kendali inverter ini menggunakan baterai GS dan FB dengan tegangan 12 Volt dan arus 3,5 Ah. Jenis baterai ini tahan terhadap siklus pengisian dan pengosongan yang berulang-ulang, atau pengosongan baterai. Teknik yang digunakan dalam desain kendali inverter adalah memaksimalkan arus yang diambil dari baterai. Dengan merancang kendali inverter ini, waktu kerja sumber baterai 24V DC lebih singkat 30 menit dibandingkan dengan kendali inverter
18
untuk sumber baterai 12V DC. Pengukuran dimulai pada tegangan baterai awal 12,17 VDC dan berakhir pada 7,14 VDC [2].
Untuk menyalakan beban AC dari sumber tegangan DC, inverter adalah rangkaian atau perangkat yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.
Bagian utama dari inverter adalah SCR, semikonduktor atau MOSFET, semua bagian semikonduktor yang berfungsi sebagai saklar atau switch. Metode modulasi seperti pembuatan pulsa dan PWM digunakan untuk menentukan apakah sakelar hidup atau mati. Peragaan ulang yang dilakukan pada Proteus ISIS menunjukkan bahwa inverter satu tahap tanpa regulator menghasilkan frekuensi tinggi 2857,14 Hz, sehingga tidak aman untuk digunakan pada peralatan listrik tertentu, tetapi inverter satu tahap menggunakan kendali untuk menggerakkan skema PWM untuk menghasilkan sinyal pengulangan hasil dibandingkan dengan 50 Hz yang diharapkan dengan penundaan 10 ms ketika ketukan yang dihasilkan berubah. Arduino Uno menghasilkan pulsa, atau PWM [3].
Internet of Things (IoT) adalah sebuah ide yang ditujukan untuk memperluas keuntungan dari jaringan internet yang terkait secara konsisten.
Internet of Things (IoT) dapat digunakan untuk mengendalikan perangkat elektronik seperti lampu ruangan yang dapat dikendalikan dari jarak jauh melalui jaringan komputer di dalam gedung. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan perangkat pengatur cahaya berbasis mobile berbasis teknologi internet. Menggunakan bahasa pemrograman Python, prototipe dan aplikasi seluler dikembangkan untuk penelitian ini. Satu kendali lampu digunakan untuk menyalakan lampu pada penelitian ini, dan dua kendali digunakan untuk menyalakan lampu secara bersamaan. Penelitian ini memiliki fungsi kendali[14].
Berdasarkan beberapa kajian pustaka dari penelitian-penelitian terdahulu yang telah dilakukan, masih terdapat beberapa kekurangan, contohnya pada penelitian sebelumnya tidak menggunakan metode Internet of Thinks (IoT). Hal tersebut menjadi salah satu kekurangan pada penelitian-penelitian terdahulu.
Sedangkan pada penelitian yang dilakukan sudah menggunakan metode IoT yang berfungsi untuk mengendalikan alat dari jarak jauh. Maka dari itu penelitian ini menggunakan metode yang lebih baru dan lebih efektif supaya sistem dapat bekerja dengan lebih baik dari penelitian-penelitian sebelumnya.
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu pengerjaan skripsi ini adalah dimulai pada bulan April 2021.
Berlokasi di Laboratorium Tenaga, Konsentrasi Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sultan Ageng Tirtayasa.
3.2. Alat dan Bahan
Kebutuhan alat dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini adalah tahap untuk dapat membentuk dan merancang alat yang dapat dilakukan ujicoba.
Alat dan bahan yang dibutuhkan dalam penelitian ini, antara lain sebagai berikut.
1. Laptop atau personal computer (PC)
Berfungsi untuk merangkum hasil laporan penelitian, build program dan bertindak sebagai server lokal pada konsep Internet of Things (IoT).
2. Modem internet atau hotspot
Berfungsi untuk menjalankan konsep Internet of Things (IoT) dikarenakan konsep IoT sendiri memerlukan akses jaringan internet.
3. Multimeter
Berfungsi sebagai alat penduga yang dipergunakan untuk menentukan besarnya tegangan listrik, hambatan, dan aliran listrik.
4. Solder
Berfungsi untuk menempelkan timah pada rangkaian elektronik lainnya.
5. Smartphone
Berfungsi untuk menampilkan hasil keluaran selama proses instruksi pada alat sedang running.
6. Pistol lem tembak
Berfungsi untuk merekatkan berbagai material yang dibutuhkan pada saat persiapan perancangan alat. Lem tembak berfungsi sebagai perekat yang kuat.
3.3. Metode Penelitian
Untuk menyelesaikan penelitian skripsi ini, ada beberapa tahapan pekerjaan yang harus dilakukan sebagai berikut :
1. Studi literatur
Kajian pustaka penelitian ini terdiri dari penyusunan sejumlah buku dan artikel yang berkaitan dengan masalah dan tujuan penelitian. Metode ini digunakan untuk mempublikasikan berbagai teori yang berkaitan dengan masalah yang dihadapi atau sebagai acuan dalam pembahasan hasil penelitian.
2. Studi bimbingan
Beberapa seputar tanya jawab terkait penelitian yang dilakukan bersama dosen pembimbing untuk menyelesaikan hal-hal yang dianggap sulit saat melakukan penelitian skripsi.
3. Perancangan alat
Perancangan yang dimaksud adalah menyatukan semua komponen elektronika beserta modul-modul dalam sebuah rangkaian lalu membuat program agar alat dapat dijalankan sesuai fungsinya.
4. Pembuatan laporan
Pembuatan laporan dimaksudkan untuk dapat mengetahui isi dari rancangan penelitian yang telah tersusun dan prosedural. Laporan terdiri atas laporan awalan yang digunakan untuk seminar usul dan laporan akhiran untuk seminar hasil.
3.4. Diagram Alir Penelitian
Gambar 3.1 ini merupakan diagram alir pemecahan masalah untuk mempermudah proses memahami tahapan-tahapan permasalahan dalam penelitian tersebut perlu diselesaikan, terdapat beberapa tahapan yaitu.
22
Gambar 3.1 Diagram alir pemecahan masalah
Gambar 3.1 merupakan diagram alir pemecahan masalah. Mempermudah proses memahami tahapan-tahapan dimana permasalahan dalam penelitian tersebut perlu diselesaikan, terdapat beberapa tahapan, yaitu:
1. Program PWM dan pengaturan frekuensi
Program PWM dirancang dengan software IDE Arduino yang terdapat pada Inverter. Frekuensi 50 Hz diatur melalui program. Pemrograman nilai PWM menggunakan fungsi digital write. Fungsi tersebut mengatur saklar dengan
2. Pengujian inverter pada serial monitor IDE
Program yang telah dihubungkan ke inverter. Inverter diberi masukan 12 VDC. Hasil dari gelombang diuji pada tampilan serial monitor IDEA Arduino Software. Diukur tegangan masukan dan keluaran alat dengan menggunakan multimeter digital.
3. Pengujian beban
Pengujian selesai ketika inverter telah diperluas tegangannya oleh trafo.
Beban AC digunakan untuk menguji inverter.
4. Variasi duty cycle dengan software IDE ardunio
Variasi dutyycycle berdasarkanndari metode SPWM. Menggunakan switching bipolar adalah metodenya. Proses mengubah berbagai sinyal pulsa selama satu periode dikenal sebagai bipolar switching. Variasi berdasarkan program yang telah dibuat, dengan sampling 11 dan 21. Menggunakan osiloskop DSO138, uji variasi duty cycle untuk mengetahui hasil gelombang. Nilai 𝑚ƒ ditentukan oleh hasil.
5. Blynk app
Konsep IoT disini adalah menguji sistem dan alat yang dibuat dengan mengintegrasi data lewat perintah berupa bahasa program C. agar dapat terhubung ke platform IoT mobile yaitu Blynk app dengan fungsi program yang telah dibuat.
3.5. Instrumen Penelitian
Penelitian kali ini akan menggunakan dua buah alat ukur untuk memudahkan pengambilan data baik itu data sinyal PWM, data tegangan dan data arus.
1. Hantek 6022BE
Osiloskop yang akan digunakan untuk penelitian ini yaitu Hantek dengan tipe 6022BE. Osiloskop digunakan untuk mengukur besarnya nilai duty cycle yang dapat dibangkitkan oleh mikrokontroler. Pada Gambar 3.2 merupakan Osiloskop Hantek 6022BE.
24
Gambar 3.2 Hantek 6022BE
Pada Gambar 3.2 merupakan Osiloskop Hantek 6022BE. Osiloskop ini dapat memproses sinyal analog menjadi sinyal digital melalui sistem ADC.
Osiloskop digital ini memiliki sampling rate sebesar 48x106 sampling/second dan memiliki 2 channel masukan data.
2. Multimeter XL830L
Multimeter yang dipakai pada penelitian ini adalah XL830L. Multimeter ini berfungsi sebagai alat ukur untuk mengetahui tegangan dan arus. Pada Gambar 3.3 merupakan multimeter yang digunakan.
Gambar 3.3 Multimeter XL830L
Pada Gambar 3.3 merupakan gambar Multimeter XL830L. Multimeter ini selain digunakan untuk mengukur tegangan rangkaian dan arus rangkaian, digunakan juga sebagai pembanding pengukuran sensor tegangan dan sensor arus supaya mendapatkan hasil yang teliti.
3.6. Desain Rancangan Alat
Merancang sebuah alat membutuhkan desain perancangan supaya dapat membuat alat yang ingin dibuat sesuai dengan rencana. Catu daya DC 30 V digunakan sebagai sumber tegangan input. Inverter akan menerima arus jika tegangan input diatur ke baterai sebagai sumber listrik. Sebuah regulator tegangan, rangkaian penguat, dan rangkaian H-Bridge membentuk rangkaian inverter, yang digunakan sebagai desain untuk penelitian skripsi. Pada Gambar 3.4 merupakan sebuah diagram blok alat.
Gambar 3.4 Blok diagram alat
Pada Gambar 3.4 merupakan sebuah blok diagram alat. Cara kerja alat ini yaitu saat beban lampu, charger laptop dan charger HP terbaca oleh sensor tegangan dan sensor arus maka PWM kendali pada inverter aktif yang dimana inverter disuplai oleh sumber daya Baterai. Kendali PWM mengirimkan sinyal high dan low. Sebagai penguat akhir, sinyal dikirim ke gate driver. Kendali pulsa menghasilkan arus yang mengalir ke inverter melalui inverter yang dikendalikan oleh Arduino UNO. Gate driver mendapat penguatan sinyal melalui transistor IRF540N. Pengoperasian rangkaian H-Bridge konsisten dengan arus yang mengalir melalui MOSFET. Sakelar elektronik dapat dibuka dan ditutup menggunakan kendali PWM preset berkat MOSFET. Bolak-balik arah fluks MOSFET menghasilkan tegangan AC. Proses pembacaan arus dan tegangan keluaran menggunakan Sensor Arus ACS712 dan Sensor Tegangan ZMPT101B untuk diteruskan ke Mikrokontroler Arduino UNO.
26
Mikrokontroler Arduino UNO menimbulkan gelombang keluaran sinusoidal murni atau pure sine wave yang diperlihatkan pada tampilan layar Serial Monitor IDE Software, sensor tegangan dan arus yang dibaca dari beban lampu pada inverter terbaca keluaran gelombangnya melalui Serial Monitor IDE Arduino Software. Keluaran hasil besar data pembacaan arus dan tegangan dikirimkan ke Arduino UNO untuk ditampilkan pada LCD dalam waktu singkat atau real time sedangkan pada sisi Internet Of Things (IoT) mengandalkan modul NodeMCU yang berguna sebagai modul IoT, modul ini menghubungkan data berupa hasil pembacaan arus dan tegangan ke platform IoT menggunakan Blynk app pada smartphone untuk keluaran yang bersamaan sesuai dengan kondisi kecepatan jaringan internet.
3.6.1. Schematic Perancangan Rangkaian Kendali
Schematic rangkaian kendali bertujuan untuk mempermudah dalam proses pembuatan rangkaian. Rangkaian kendali pada skripsi ini berfungsi sebagai pengendali dan pengukur dari rangkaian utamanya yaitu inverter. Rangkaian kendali disini menggunakan dua mikrokontroller yang berbeda. Mikrokontroler yang pertama adalah Arduino UNO yang mengukur hasil sensor tegangan dan arus sebagai pengolah data. Sensor tegangan AC dan sensor tegangan DC merupakan dua sensor tegangan yang digunakan pada sensor tegangan pada tugas akhir ini. Jenis ZMPT101B digunakan untuk sensor tegangan AC, sedangkan pembagi tegangan digunakan untuk sensor tegangan DC. Sedangkan untuk sensor arusnya menggunakan sensor dengan tipe ACS712 karena mudah digunakan dan harga yang tidak terlalu mahal tapi menghasilkan pengukuran yang cukup akurat.
Pada Gambar 3.5 rangkaian schematic kendali.
Gambar 3.5 Schematic rangkaian kendali
Pada Gambar 3.5 yaitu gambar rangkaian schematic kendali.
Mikrokontroller kedua yang digunakan pada skripsi ini ada NodeMCU ESP8266.
Node MCU pada skripsi ini digunakan sebagai perantara data dari Arduino UNO dengan aplikasi Blynk dimana Node MCU berkomunikasi dengan keduanya. Pada Tabel 3.1 merupakan koneksi antara pin Arduino UNO, sensor, LCD, dan NodeMCU.
Tabel 3.1 Konfigurasi pin Arduino
No Arduino UNO Keterangan
1 Pin VCC Pin VCC Sensor, LCD dan Node MCU 2 Pin GND Pin GND Sensor, LCD dan Node MCU
3 Pin A0 Pin Masukan Sensor Tegangan DC
4 Pin A1 Pin Masukan Sensor Arus DC
5 Pin A2 Pin Masukan Tegangan AC
6 Pin A4 Pin SDA I2C
7 Pin A5 Pin SCL I2C
No Arduino UNO Keterangan
1 Pin D2 Pin 3 Node MCU
2 Pin D3 Pin 4 Node MCU
Pada Tabel 3.1 merupakan koneksi antara pin Arduino UNO, sensor, LCD, dan NodeMCU. Node MCU berkomunikasi dengan Arduino UNO menggunakan komunikasi serial, dimana data hasil pengukuran tegangan dan arus yang terukur dikirimkan ke Node MCU. Komunikasi Node MCU dengan aplikasi Blynk dengan memanfaatkan jaringan internet, dimana data yang didapatkan dari Arduino kemudian dikirim oleh Node MCU yang terhubung dengan internet ke cloud yang kemudian dikirim ke handphone yang sudah terpasang aplikasi Node MCU untuk
28
menampilkan datanya. Selain itu pada skripsi ini menggunakan modul relay yang berfungsi untuk pengaman sekaligus sakelar elektrik yang bisa dikendalikan.
Relay sebagai saklar dapat dikendalikan secara jarak jauh karena diberi program pada Node MCU dapat on atau off dengan kendali aplikasi Blynk.
3.6.2. Rangkaian Regulator Tegangan
Membuat kisaran tegangan masukan 5 sampai 12V dibutuhkan regulator tegangan. Fungsinya untuk menstabilkan tegangan masukan sesuai dengan ratingnya dan menurunkan tegangan DC yang berfungsi sebagai tegangan kerja inverter. Pengendali tegangan yang digunakan adalah baterai 12V, seperti yang ditampilkan pada Gambar 3.6. Pengendali tegangan dibundel sebagai Incorporated Circuit (IC). Pilihan yang tepat adalah menggunakan part ini karena dapat menyuplai tegangan 15V hingga 60V, dapat menggerakkan beban hingga 1A, dan tidak mudah panas, yang sesuai dengan desainnya. Pada Gambar 3.6 merupakan gambar regulator tegangan.
Gambar 3.6 Regulator tegangan
Pada Gambar 3.6 merupakan gambar regulator tegangan. Seri regulator ini terdapat dalam tipe fixed atau keluaran tetap, maka dibutuhkan komponen tambahan. Sebuah transformator, dioda zener, dan dua kapasitor kutub 470μf dan 100μf berfungsi sebagai komponennya. Hanya komponen yang tersedia secara komersial yang digunakan dalam komponen tambahan, yang sangat cocok dengan spesifikasi komponen lembar data.
Pada skripsi kali ini regulator yang digunakan adalah regulator dengan tegangan keluaran sebesar 12VDC yang berfungsi untuk mensuplai tegangan ke rangkaian kendali inverter satu fasa. Rangkaian kendali pada skripsi ini berupa Arduino UNO, Node MCU, sensor tegangan AC, sensor tegangan DC, sensor arus DC, relay sebagai saklar elektrik, LCD 16x2 sebagai komponen monitoring tegangan dan arus dari inverter.
3.6.3. Rangkaian Penguat
Pada Gambar 3.7 menggambarkan penggunaan transistor bipolar dalam tugas akhir ini. Transistor jenis IRF540N yang berfungsi sebagai jembatan saklar, pembangkit frekuensi, dan penguat tegangan. Untuk menahan atau membatasi arus, resistor harus ditambahkan. Tegangan yang mengalir melalui base transistor dan emitter adalah 40 V. Pada Gambar 3.7 merupakan gambar rangkaian penguat sinyal.
Gambar 3.7 Rangkaian penguat sinyal
Pada Gambar 3.7 merupakan gambar rangkaian penguat sinyal. Komponen ini cocok untuk inverter yang dimaksud karena memiliki arus kolektor 200 mA dan frekuensi amplifier 200 MHz. Penentuan bagian selanjutnya adalah gate driver.
Gate driver dibutuhkan untuk pengendali sistem pensaklaran yang berfungsi untuk mengendalikan besarnya sinyal duty cycle yang dihasilkan untuk mengendalikan tegangan inverter, dengan kecepatan pemicu yang cepat. Pada
30
proses keluaran beban, arus dan juga tegangan yang akan dibaca oleh sensor ACS712 dan sensor ZMPT101B memerlukan hambatan pembatas. Resistor 330Ω berfungsi sebagai resistansi pembatas. IC ini hanya untuk DC info dan hasil dengan semikonduktor base, sehingga digunakan semikonduktor bipolar.
3.6.4. Rangkaian H-Bridge
Keempat MOSFET dalam rangkaian H-Bridge digambarkan pada Gambar 3.8. MOSFET yang dibutuhkan dapat digunakan pada sistem Arduino karena memiliki spesifikasi fast switching, tidak cepat panas, dan memiliki temperatur yang tinggi.
Gambar 3.8 Rangkaian h-bridge dengan 4 MOSFET
Pada Gambar 3.8 merupakan gambar rangkaian h-bridge dengan 4 MOSFET. Menggunakan MOSFET IRF540N. MOSFET dalam rangkaian sirkuit H-Bridge sebagai saklar elektronik. MOSFET IRF540N dapat menangani tegangan hingga 200 V, dengan tegangan maksimum yang mengalir di gate driver mencapai 20V, dan suhunya dapat mencapai hingga 175º C.
3.7. Perancangan Sensor Tegangan
Sensor tegangan yakni salah satu komponen yang dibutuhkan instrumentasi pada penelitian ini karena besarnya nilai tegangan digunakan sebagai parameter umpan balik mikrokontroler untuk dapat menyesuaikan nilai duty cycle yang dibangkitkan. Pada Gambar 3.9 yaitu schematic rangkaian sensor tegangan.
Gambar 3.9 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor tegangan
Pada Gambar 3.9 adalah diagram rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor tegangan. Tegangan output yang dihasilkan panel surya adalah 0-25V, sedangkan tegangan input mikrokontroler adalah 0-5V. Tegangan yang ingin diukur adalah tegangan pada input sensor. Sedangkan tegangan keluaran sensor tegangan adalah tegangan keluaran rangkaian pembagi tegangan. Tegangan ini kemudian masuk ke mikrokontroler sebagai nilai ADC dan diubah menjadi tegangan aktual yang terukur. Tegangan maksimum input ADC mikrokontroler adalah 5 volt, sedangkan tegangan maksimum yang diukur adalah 25 volt.
Berdasarkan hasil perhitungan besarnya perbandingan nilai resistor yaitu pada resistor 1 besarnya 30kΩ dan pada resistor yang kedua sebesar 75kΩ.
3.8. Perancangan Sensor Arus
Sensor ACS712 adalah sensor arus yang digunakan. Input terhubung ke pin IP+ dan IP-. Tegangan 5 volt yang terhubung ke VCC memberikan daya ke sensor arus. Pada Gambar 3.10 rangkaian schematic sensor arus.
32
Gambar 3.10 Rangkaian sensor arus
Pada Gambar 3.10 merupakan rangkaian skematik sensor arus. Arus input dan output rangkaian konverter buck-boost dapat dibaca menggunakan sensor arus. Sensor arus tipe ACS712 digunakan dalam penelitian ini. Lembar data Sensor Arus ACS712 mengungkapkan bahwa hasil pembacaan sensor arus berupa tegangan DC dengan arus input 0 setara dengan 2,5 volt sebagai kondisi awal.
3.9. Metode Pulse Width ModulationController
Rangkaian berbentuk osilator dan trafo sudah termasuk dalam inverter ini.
Osilator untuk membangkitkan sinyal PWM dan modul yang digunakan SG3525 pada frekuensi 50 Hz. Fungsi ini mengendalikan sakelar dengan menetapkan nilai tinggi ataupun rendah ke pin digital. Pada Gambar 3.11 merupakan rangkaian osilator DC 12V AC 220V.
Gambar 3.11 Rangkaian osilator DC 12V AC 220V
Pada Gambar 3.11 merupakan gambar rangkaian osilator DC 12V AC 220V. Sumber daya DC bertegangan rendah dimasukkan ke Center Tap (CT) sekunder transformator, dan sakelar digunakan untuk menghubungkan dua titik ujung transformator, yang disebut titik A dan titik B. Saat sakelar diarahkan ke titik A, arus listrik dari garis atas, atau jalur 1, mengalir dari terminal positif ke CT trafo dan kemudian ke ground. Arus listrik pada jalur 1 kemudian mulai mengalir dari terminal positif trafo CT ke ground menggunakan titik saklar a, b, jalur 1, dan jalur 2 pada saat saklar dipindahkan dari A ke B. Saklar ON dan OFF dengan mengalihkan. Ini terhubung ke osilator yang menghasilkan listrik pada frekuensi 50 Hz dengan mengalihkan arus listrik 50 kali per detik dari titik A ke titik B atau sebaliknya. Rangkaian tersebut melibatkan transistor dalam rangkaian yang berfungsi sebagai saklar elektrik.
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas hasil dari analisis data dan keseluruhan sistem yang dirancang. Analisis dan pembahasan data dilakukan dengan mengambil data pengukuran pada instrumen untuk mendapatkan data yang sebenarnya untuk dituliskan dalam laporan akhir. Pengujian yang dilakukan yaitu berikut ini:
1. Pengujian tegangan keluaran Arduino UNO 2. Pengujian sensor tegangan
3. Hasil pengujian operasional alat
4. Pengujian gelombang keluaran inverter 5. Pengujian tanpa beban
6. Pengujian dengan beban lampu
7. Pengujian dengan beban charger handphone 8. Pengujian dengan beban charger laptop
4.1. Desain dan Perancangan Alat
Berikut di bawah ini hasil perancangan atau desain inverter yang telah dibuat dengan beberapa komponen elektronika lainnya sebagai pendukung. Pada Gambar 4.1 merupakan desain alat.
Gambar 4.1 Desain alat
Pada Gambar 4.1 merupakan gambar dari desain alat yang sudah dibuat dengan 9 komponen utama yang telah disebutkan di dalam gambar.
4.2. Pengujian Tegangan Keluaran Arduino UNO
Pengujian tegangan keluaran Arduino UNO dilakukan agar mengetahui bahwa Arduino yang dipakai pada penelitian ini dapat bekerja dengan baik sehingga tidak menjadi kendala ketika melakukan pengujian alat secara keseluruhan. Pada Gambar 4.2 merupakan gambar pengujian dari Arduino UNO setting high.
Gambar 4.2 Pengujian Arduino UNO setting high
Pada Gambar 4.2 merupakan gambar pengujian Arduino UNO setting high.
Pengujian Arduino UNO ini dilakukan dengan cara Arduino diberikan tegangan sesuai operasinya kemudian memprogram semua pin digital pada Arduino sebagai keluaran dan di setting high dan low. Pada Gambar 4.3 merupakan sebuah gambar yang menunjukkan hasil pengujian Arduino UNO dengan setting low.
36
Gambar 4.3 Pengujian Arduino UNO setting low
Pada Gambar 4.3 merupakan gambar pengujian Arduino UNO dengan setting low. Arduino di setting high supaya Arduino dapat menghasilkan tegangan 5V sedangkan di-setting low supaya Arduino menghasilkan tegangan 0V. Setelah pengujian dilakukan didapatkan tegangan keluaran dari Arduino UNO yang ditampilkan pada Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Pengujian tegangan keluaran Arduino UNO
V Masukan(V) Pin V Keluaran
(Set High)(V)
V Keluaran (Set Low)(V)
5 0 5 0
5 1 5 0
5 2 5 0
5 3 5 0
5 4 5 0
5 5 5 0
5 6 5 0
5 7 5 0
5 8 5 0
5 9 5 0
5 10 5 0
5 11 5 0
5 12 5 0
5 13 5 0
Pada Tabel 4.1 merupakan tabel hasil pengujian tegangan keluaran arduino UNO.
Pengujian tegangan keluaran Arduino UNO yang di-setting high dan low, dapat dilihat bahwa tegangan keluaran sesuai dengan spesifikasi, karena itu dapat
disimpulkan bahwa Arduino UNO yang pakai kali ini dapat berfungsi dengan baik.
4.3. Pengujian Sensor Tegangan
Pada penelitian ini, rangkaian voltage devider dipergunakan untuk sensor tegangan. Tegangan keluaran pada rangkaian sensor tegangan kemudian dimasukan ke mikrokontroler untuk dikonversi, kemudian hasil konversi tegangannya ditampilkan pada LCD. Sensor tegangan diuji dengan menerapkan tegangan ke rangkaian pembagi tegangan dari catu daya variabel. Potensiometer digunakan untuk mengatur tegangan keluaran catu daya. Pada Tabel 4.2 merupakan tabel hasil pengujian sensor tegangan.
Tabel 4.2 Hasil pengujian sensor tegangan Tegangan
Masukan (Volt)
Pengukuran dengan Multimeter (Volt)
Pengkuran dengan Sensor (Volt)
1 1,01 1,01
2 2,0 2,02
3 3,0 3,01
4 4,0 4,05
5 5,0 5,04
6 6,0 6,01
7 7,0 7,0
Tegangan Masukan (Volt)
Pengukuran dengan Multimeter (Volt)
Pengkuran dengan Sensor (Volt)
8 8,0 8,02
9 9,0 9,0
10 10,0 10,06
11 11,0 11,01
12 12,0 12,01
13 13,0 13,01
14 14,0 14,0
15 15,0 15,0
Pada Tabel 4.2 merupakan tabel hasil dari ujicoba sensor tegangan. Berdasarkan hasil ujicoba sensor tegangan, didapatkan nilai tegangan yang terukur oleh multimeter dan yang terukur oleh sensor memiliki simpangan yang tidak jauh.
Selisih terbesar terjadi pada tegangan 10 Volt, yang terukur oleh sensor sebesar 10,06 Volt dengan selisih 0,06 Volt. Berdasarkan hasil pengujian sensor ditemukan kesalahan atau error sebesar 0,2% dalam sistem. Berdasarkan error
38
yang dihasilkan dapat disimpulkan bahwa sensor tegangan berfungsi dengan layak untuk dipakai pada penelitian ini. Data tegangan yang dibaca oleh rangkaian sensorrtegangan merupakan tujuan dari pengujian sensor tegangan. Pengujian sensor tegangan menggunakan mikrokontroler dengan memanfaatkannfitur ADC atau analog to digital converter, hal ini dikarenakan mikrokontroler Arduino UNO hanya bisa membaca tegangan 0 sampai 5 Volt, sedangkan tegangan yang operasi inverter adalah sebesar 12 Volt.
4.4. Pengujian Sensor Arus
Sensor ACS-712adalah sensor yang digunakan sebagai sensor arus.
Sumber tegangan yang digunakan adalah power supply variable karena mudah untuk merubah besar dan kecilnya tegangan. Proses pengujian nilai arus yang terukur oleh sensor, beban yaitu resistor dialiri tegangan masukan yang berbeda-beda yang bersumber dari power supply. Pada saat pengujian suplai tegangan diatur sesuai dengan kebutuhan. Pada Tabel 4.3 merupakan Hasil pengujian sensor arus.
Tabel 4.3 Hasil pengujian sensor arus Suplai Arus (A) Arus Terukur
Multimeter (A)
Arus Terukur Sensor Arus (A)
0 0 0,021
0,1 0,1 0,107
0,2 0,2 0,209
Suplai Arus (A) Arus Terukur Multimeter (A)
Arus Terukur Sensor Arus (A)
0,3 0,3 0,310
0,4 0,4 0,404
0,5 0,5 0,506
0,6 0,6 0,602
0,7 0,7 0,701
0,8 0,8 0,804
0,9 0,9 0,901
Pada Tabel 4.3 merupakan hasil pengujian sensor arus. Hasil pengujian sensor arus didapatkan nilai arus pengukuran dan nilai arus sensor yang terukur hampir sama. Selisih terkecil terjadi pada pengujian arus 1 Ampere dimana hasil pengukuran menunjukkan nilai 1,0A sedangkan sensor membaca arus sebesar 1,02A, selisihnya hanya 0,2A.
Selisih terbesar terjadi pada pengujian 3 Ampere, dimana selisih pembacaan arus sebesar 0,1 Ampere. Pengujian sensor arus terdapat error sebesar 1,54%. Hasil pengujian yang dilakukan, sensor arus yang digunakan masih terbilang baik. Tujuan pengujian sensor arus adalah untuk mendapatkan data arus dari sensor arus yang terhubung dengan rangkaian inverter. Pada pengujian kali ini sensor arus diberikan beban berupa resistor 10Ω 20 Watt kemudian sensor arus dihubungkan pada mikrokontroler sebagai pembaca arus.
4.5. Hasil Pengujian Operasional Alat
Pengujian inverter bertujuan untuk mengetahui apakah inverter yang diproduksi dapat merubah tegangan DC menjadi tegangan AC pada frekuensi yang diinginkan yaitu 50 Hz. Setelah sinyal PWM dihasilkan, diprogram dengan Arduino, dan dihubungkan langsung ke rangkaian inverter, tegangan keluaran inverter yang bersangkutan diuji. Pada Tabel 4.4 merupakan tabel hasil pengujian rangkaian inverter.
Tabel 4.4 Hasil Pengujian Rangkaian Inverter Masukan
(VDC)
Keluaran
(VAC) Arus (I) Frekuensi (Hz)
12 215 0,01 49,6
