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.
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 memberi nilai high atau low ke pin digital.
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.
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.
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
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
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.
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.
