RANCANG BANGUN INVERTER PURE SINE WAVE (PSW) SATU FASA DENGAN TEKNIK PENGUAT AKHIR
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
v ABSTRAK
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).
vii
DAFTAR ISI
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
ix
5.2. Saran ... 50 DAFTAR PUSTAKA ... 51 LAMPIRAN ... 54 LAMPIRAN A Dokumentasi ... A-1 LAMPIRAN B Listing Code Arduino ... B-1
BAB I
PENDAHULUAN
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].
3
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.
5
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.
51
DAFTAR PUSTAKA
[1] Yanasari Y., F. Refelita, “Pemanfaatan Kulit Pisang (Musa Paradisiaca) sebagai Pembuatan Baterai pada Praktikum Elektrokimia di MAN 1 Pekanbaru,” Konfigurasi, vol. 1, no. 2, pp. 163-170, 2017.
[2] Suryadi A., H. Pathoni, S. Fuady, “Rancang Bangun Inverter Satu Fasa dengan Variasi Input 12 V DC dan 24 V DC untuk Keluaran 220 V AC,”
Jurnal Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 1-10, 2020.
[3] Setiawan D., H. Eteruddin, Arlenny, “Desain dan Analisis Inverter Satu Fasa Berbasis Arduino Menggunakan Metode SPWM,” Jurnal Teknik, vol. 13, no.
2, pp. 128-135, 2019.
[4] Karyadi, Suryono, “Rancang Bangun Inverter Satu Fasa Menggunakan IC SG 3525,” Edu Elektrika Journal, vol. 10, no. 1, pp. 25-29, 2021.
[5] Sathyavani B., D. Rajababu, A. V. V. Sudhakar, “Construction of a Pure Sine Wave Inverter System,” International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, vol. 8, no. 9, pp. 960-963, 2019.
[6] Hartanto B.S., S. Prayogo, W. BM, “Pengembangan Kontrol Peningkatan Daya Listrik Rumah Tangga Menggunakan On/Off Grid Tie Inverter,” Jurnal Teknologi Elektro, vol. 8, no. 3, pp. 192-199, 2017.
[7] Salem O. M., D. S. M. Osheba, H. Z. Azazi, A. E. Lashine, “A Single-Stage Three-Phase Boost Inverter for Grid-Connected Applications,” International Journal of Engineering and Advanced Technology Studies, vol. 7, no. 1, pp.
1-16, 2019.
[8] Apribowo C. H. B., M. H. Adhiguna, F. Adriyanto, H. Maghfiroh,
“Performance Analysis of Three Phase Induction Motor based on ATV12HU15M2 Inverter for Control System Practicum Module,” Journal of Electrical, Electronic, Information, and Communication Technology, vol. 2, no. 1, pp. 9-13, 2020.
[9] Evasari, Dasar-Dasar Listrik dan Elektronika, Jakarta: Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, 2017.
52
[10] Maharni B., “Perancangan Inverter Satu Fasa Lima Level Modifikasi Pulse Width Modulation,” Jurnal Teknologi Elektro, vol. 8, no. 1, pp. 24-31, 2017.
[11] Park Y.-M., H.-S. Ryu, H.-W. Lee, M.-G. Jung, S.-H. Lee, “Design of a Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter Based on Power Electronics Building Blocks and Control for High Performance,” Journal of Power Electronics, vol. 10, no. 3, pp. 262-269, 2010.
[12] Giyantara A., R. S. Tjiang, Subchan, “Desain Inverter Satu Fasa 12V DC ke 220V AC Menggunakan Rangkaian H-Bridge MOSFET,” SPECTA Journal of Technology, vol. 3, no. 1, pp. 1-11, 2019.
[13] Sharma A., “Controlling of Smart Inverter via Internet of Things,” Journal of Emerging Technologies and Innovative Research, vol. 5, no. 11, pp. 228-231, 2018.
[14] Efendi Y., “Internet of Things (IOT) Sistem Pengendalian Lampu Menggunakan Raspberry PI Berbasis Mobile,” Jurnal Ilmiah Ilmu Komputer, vol. 4, no. 1, pp. 19-26, 2018.
[15] Hasiholan C., R. Primananda, K. Amron, “Implementasi Konsep Internet of Things pada Sistem Monitoring Banjir menggunakan Protokol MQTT,”
Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer, vol. 2, no.
12, pp. 6128-6135, 2018.
[16] Firdaus F., M. Hariansyah, Suratun, “Rancang Bangun Sistem Emergency Energi Listrik untuk Konsumen Rumah Tangga Golongan R1,” Jurnal Teknologi dan Sains, vol. 5, no. 1, pp. 38-46, 2018.
[17] Erivianto D., A. Dani, H. Gunawan, “Sistem Konversi Energi Listrik Sebagai Energi Alernatif untuk Kebutuhan Rumah Tangga,” Seminar of Social Sciences Engineering & Humaniora, pp. 323-334, 2020.
[18] Muktiawan D. A., Nurfiana, “Sistem Monitoring Penyimpanan Kebutuhan Pokok Berbasis Internet of Things (IoT),” Jurnal Sistem Informasi &
Telematika, vol. 9, no. 1, pp. 88-98, 2018.
[19] Mario, B.P. Lapanporo, Muliadi, “Rancang Bangun Sistem Proteksi dan Monitoring Penggunaan Daya Listrik Pada Beban Skala Rumah Tangga Berbasis Mikrokontroler ATMega328P,” Prisma Fisika, vol. 6, no. 1, pp. 26-
53
33, 2018.
[20] Rahman F., H. Fauzi, T. N. Azhar, R. D. Atmadja, N. Ayudina, “Analisa Metode Pengukuran Berat Badan Manusia Dengan Pengolahan Citra,”
Teknik, vol. 38, no. 1, pp. 35-39, 2017.
[21] Saghoa Y. C., S.R.U.A. Sompie, N. M. Tulung, “Kotak Penyimpanan Uang Berbasis Mikrokontroler Arduino Uno,” Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, vol. 7, no. 2, pp. 167-174, 2018.
[22] Suryantoro H., A. Budiyanto, “Prototype Sistem Monitoring Level Air Berbasis Labview & Arduino Sebagai Sarana Pendukung Praktikum Instrumentasi Sistem Kendali,” Indonesian Journal of Laboratory, vol. 1, no.
3, pp. 20-32, 2019.
[23] Ashari M. A., L. Lidyawati, “IoT Berbasis Sistem Smart Home Menggunakan NodeMCU V3,” Jurnal Kajian Teknik Elektro, vol. 3, no. 2, pp. 138-149, 2018.
[24] Ismiyadinata J., H. Yuliansyah, M. R. K. Aziz, A. S. Rohman, “Desain dan Implementasi Inverter Satu Fasa 400 Watt dengan Metode Switching High Frequency,” Journal of Science and Applicative Technology, vol. 3, no. 1, pp. 9-16, 2019.
[25] Luqman M., Herwandi, D. Dewatama, “Rancang Bangun Inverter 12Vdc ke 220Vac 500 Watt sebagai Media Praktikum Mahasiswa,” Jurnal ELTEK, vol. 18, no. 2, pp. 83-90, 2020.
