Perancangan Dan Implementasi Rangkaian

POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
ISSN 1858-3709
Perancangan Dan Implementasi Rangkaian
Charger Pada Pembangkit Sell Surya Untuk Aplikasi Rumah Tangga
Scheme and Implementation Network Charger Generating Of Sell Surya
For The Application of Household
Efrizon & Zainal Abidin
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang Kampus Unand Limau Manis Padang 25163
Telp. 0751-72590 Fax. 0751-72576 Email : [email protected]
ABSTRACT
Electricity energy source is an important thing nowadays. All people who live in all regions such as city
and village need this energy. For this reason, it is important to design and produce an equipment to keep
electricity energy. This equipment is made of charge circuit, solar cell, accu and another electronics circuit such
as an inverter. Solar cell is used to catch energy from the sun and send it to charge circuit and keep as electricity
energy source. This design can help many people who need electricity energy source AC 220 Volt and there is
possibility to help an electric and electronics equipment which need AC 220 Volt power supply.
Keyword: Solar Cell, Accu, Charger
PENDAHULUAN
Keperluan sumber tenaga listrik ac
220 Volt sangat penting misalnya untuk
keperluan peralatan rumah tangga seperti
Televisi, Kulkas, Lampu penerangan,
Sterika, dan lain sebagainya. meskipun
memerlukan biaya cukup tinggi untuk
solar-cell & accunya. Peralatan listrik
tenaga surya (solar cell) cocok digunakan
untuk daerah yang kekurangan listrik atau
sering padam listrik atau sama sekali belum
ada listrik.
Solar cell adalah salah satu sumber
energi yang ramah lingkungan dan sangat
menjanjikan pada masa yang akan datang,
karena tidak ada polusi yang dihasilkan
selama proses konversi energi, dan lagi
sumber energinya banyak tersedia di alam,
yaitu sinar matahari, terlebih di negeri
tropis semacam Indonesia yang menerima
sinar matahari sepanjang tahun.
Penelitian ini adalah merancang
sistem rangkaian peralatan charger pada
pembangkit solar cell untuk keperluan
rumah tangga.
Adapun rumusan dalam penelitian ini
adalah :
1. Bagaimana
mendapatkan
data
dilapangan dan peralatan penunjang saat
ini yang akan digunakan pada
rancangan sistem peralatan ini dengan
pertimbangan
keuntungan
&
kerugiannya.
2. Bagaimana mendisain rangkaian dengan
mempertimbangkan biaya yang tidak
tinggi yang nantinya dapat menjangkau
semua lapisan masyarakat & pemilihan
beberapa type komponen yang banyak
tersedia dipasaran.
3. Bagaimana melakukan uji rancangan
sistem peralatan yang dibuat pada
kondisi pengisian, beban optimal dan
beban lebih di Laboratorium Elektro.
4. Bagaimana melakukan pengujian
rancangan sistem peralatan dilapangan.
Dari hasil penelitian diharapkan
peralatan ini dapat membantu masyarakat
luas yang saat ini sedang memerlukan
sumber tenaga listrik ac 220 V yang tidak
dapat dijangkau oleh jala-jala PLN
khususnya didaerah terpencil.
METODOLOGI
Dalam penelitian ini difokuskan pada
pemecahan
permasalahan-permasalahan
yang sesuai dengan rumusan masalah dan
aplikatif dengan urutan sebagai berikut :
1
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
1. Studi literatur, untuk mendapatkan data
primer dan data sekunder dari kebutuhan
tenaga listrik 220 V untuk penerangan
pada masyarakat yang bertempat tinggal
jauh dari jala-jala PLN.
2. Memperoleh data bahan-bahan yang
diperlukan sesuai dengan materi pada
penelitian ini yang mencakup data
lapangan dan data kapasitas rancangan
yang optimal.
3. Prosedur disain rangkaian elektronik
dimana data-data tersebut diperoleh
dengan mempertimbangkan kelebihan
dan kekurangan peralatan yang akan
dibuat.
4. Prosedur pengujian rancangan sistem
peralatan di lapangan.
5. Membuat data dan menyimpulkan dari
dari hasil analisa prosedur diatas untuk
penyempurnaan disain maupun uji pada
ISSN 1858-3709
peralatan yang dibuat, yang mana
mungkin dibuat referensi pengembangan
selanjutnya.
Skematik Sistem
Gambar 1. Diagram
blok
dirancang
sistem
yang
Skematik Rangkaian Charger
Gambar 2. Skema Rangkaian Charger dan Pengaman
Rangkaian Komparator
Dalam perancangan ini digunakan
IC RC4136 dengan pertimbangan Low
power consumtion dan tegangan supply
maksimum ± 18 volt & disipasi dayanya
dimana 1 chip mempunyai 14 pin dengan 4
buah op-amp (op-amp1,2,3&4), sedangkan
pada perancangan ini yang digunakan
sebagai komparator adalah op-amp 1 (opamp 2, 3 & 4) memungkinkan digunakan
sebagai
cadangan
bila
rangkaian
komparator terutama komponen aktifnya
ada trouble. Inverting input (kaki 1), noninverting input (kaki 2), output (kaki 3),
Gnd (kaki 7) & +V supply (kaki 11).
Pada inverting (-) input digunakan
sebagai setting/referensi kondisi accu penuh
(kira-kira 14,2 volt), sedangkan noninverting (+) input digunakan sebagai
tegangan input referensi untuk control
trigger gate SCR ataupun FET(switch
elektronik) kondisi ON saturasi ataupun
cut-off.
2
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
Sedangkan diode silicon 1N4148 sebagai
penyerah output op-amp dan sekaligus
sebagai proteksi bila ada tegangan balik
yang masuk ke op-amp lewat outputnya
(karena system rangkaian bekerja pada
tegangan yang memungkinkan melebihi
ISSN 1858-3709
tegangan supply op-amp maksimum) bila
terjadi ada komponen yang mengalami
kerusakan
sehingga
memungkinkan
tegangan balik dari solar cell ataupun dari
accu.
Gambar 3. Rangkaian Komparator untuk control SCR dan FET
a). Pada kondisi accu penuh dan untuk
referensi tegangan pada (-) input dimisalkan
dikehendaki 4 volt.
VB
= 4 volt
R2
= 4K7.
V CC = 14,2 V.
VR 2
VB
=  V CC
VR 2 + R 2
4,1
4,7K
=  9 V
4,7K + VR 1
4,1VR 1 = 42,3 - 19,27
VR 1
= 5,617 K.
4
VR 2
=  14,2 V
VR 2 + 4,7K
Jadi dalam perancangan rangkaian ini
digunakan variabel resistor VR 1 sebesar
10 K.
18,8
= (14,2 – 4) VR 2
Rangkaian Driver
VR 2 = 1,843 K.
Jadi dalam perancangan rangkaian ini
digunakan variabel resistor VR 2 sebesar 10
K.
b). Pada kondisi pengisian muatan accu dan
untuk referensi tegangan pada (+) input
≥ 4 volt ( misalkan disetting 4,1 volt ).
VA
= 4,1 volt
= 4K7.
R1
V CC = 9 V.
R1
VA
=  V CC
R 1 + VR 1
Gambar 4. Rangkaian
BUZ11
driver
untuk
FET
3
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
Rangkaian ini merupakan common
collector digunakan untuk mendrive gate
FET (switch elektronik) dimana arus output
kondisi saturasi adalah merupakan arus
dari BC547 yaitu dari kolektor –emitter
dengan diberi tahanan pembatas sebesar
1K5 untuk membatasi arus pada gate,
dikarenakan FET hanya digunakan untuk
memfungsikan FET sebagai switch
elektronik dengan batasan arus yang lewat
Drain ke Source tidak maksimum (sesuai
kebutuhan
dari
kemampuan
arus
maksimum dari SCR (FIR3D) saja.
Bila dalam kondisi saturasi (BC547)
Vce sat = 0,2 volt, maka tegangan output
yang masuk ke gate SCR sebesar kira-kira
= 9 – 0,2 = 8,8 volt (Ve) dan Vth ≈ 1 volt
Sedangkan besarnya tahanan yang dipasang
pada FET bila dikehendaki Ig = 5 mA,
maka besarnya tahanan yang dipasang pada
gate FET :
Dalam aplikasi digunakan Rg = 1,5 KΩ
Power Supply
Pada disain ini diperlukan ada
beberapa besaran supply dc diantaranya
tegangan output solar cell sebesar 35 volt,
tegangan accu sebesar 12 volt dan ground.
Untuk mencatu daya dari sistem
tersebut diperlukan tegangan dc stabil yang
tidak terpengaruh oleh adanya naik
turunnya tegangan supply accu, sehingga
pada disain ini diperlukan tegangan supply
stabil
yang
memungkinkan
untuk
mensupply sistem kontrol rangkaian
charger sebesar 9 volt dan dan dalam hal ini
diperlukan IC regulator 7809.
Sedangkan rancangan disain power
supply yang digunakan seperti pada gambar
rangkan dibawah.
ISSN 1858-3709
Gambar 5. Power supply 9 volt dc untuk
supply rangkaian kontrol
HASIL
Solar cell bekerja optimal perhari
selama 3-4 jam untuk mengisi muatan pada
accu atau baterai charger lainnya dengan
kondisi Pengaman I (switch elektronik I
MOSFET) kondisi ON(tertutup) kemudian
rangkaian charger melakukan pengisian
muatan melalui (SCR ON ) hingga pada
suatu saat accu dalam kondisi muatan
penuh
akan
menyebabkan
output
Rangkaian komparator dalam kondisi –
Vsaturasi dengan diberikan diode 1N4148
sehinnga output untuk mendrive transistor
BC547 dala kondisi OFF hingga
menyebabkan trigger SCR dan input gate
MOSFET dalam kondsi low, hingga
menyebabkan MOSFET terminal Drain dan
Source dalam kondisi open dan ini akan
menyebabkan SCR dalam kondisi OFF.
Begitu juga seterusnya bila accu
memerlukan pengisian otomatis output
komparator
dalam
kondisi
high
(+Vsaturation) dan ini menyebabkan diode
1N4148 kondisi forward hingga mendrive
transistor BC547 dan output dari BC 547
digunakan sebagai drive trigger SCR dan
trigger input MOSFET hingga keduanya
dalam kondisi ON (saturasi). Pengisian
muatan accu akan tetap berlanjut meskipun
accu tidak harus dalam kondisi muatan
kosong, ini terjadi bila muatan accu
berkurang (masih perlu pengisian), asalkan
intensitas sinar matahari cukup untuk
membangkitkan tegangan pada solar cell.
Bila beban listrik aktif (daya
optimal) tidak melebihi daya maksimum
yang diijinkan (overload), maka Pengaman
II(switch elektronik II) kondisi tetutup
(switch normally close) dan Inverter
4
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
bekerja (mengubah tengangan DC 12V
menjadi tegangan AC 220V, hingga
menyebabkan arus akan tetap mengalir ke
beban listrik.
Begitu juga sebaliknya bila bila
Beban Listrik overload akan menyebabkan
Pengaman II dalam kondisi ON (memutus
rangkaian) sehingga inverter dalam kondisi
tidak bekerja dan beban akan mati. Selama
beban listrik tidak dikurangi dari overload,
maka selama itu pula rangkaian pengaman
II (swith elektronik II) tetap ON  open
switch.
ISSN 1858-3709
Pemakaian beban listrik optimal
Tabel 1. Hasil Pengukuran
Tegangan
Accu
(volt)
12
12,5
13
13,5
14
14,2
14,3
14,4
14,5
Kondisi
SCR
ON
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
Kondisi
MOSFET
ON
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
OFF
Indikator
LED
padam
padam
padam
padam
padam
nyala
nyala
nyala
nyala
Kondisi
Accu
Pengisian
Pengisian
Pengisian
Pengisian
Pengisian
Penuh
Penuh
Penuh
Penuh
Gambar 7. Pemakaian beban listrik optimal
Pemakaian beban listrik Overload
PEMBAHASAN
Algoritma cara kerja sistem pengisian
dan Pemakaian beban listrik 220V
Pada saat terjadi Pengisian &
Pengosongan.
Gambar 8. Pemakaian beban listrik Overload
SIMPULAN
Dari hasil rancangan dan realisasi
Pembangkit Listrik Tenaga Surya untuk
keperluan rumah tangga dapat disimpulkan
antara lain :
Gambar 6. Sistem Pengisian & Pengosongan.
5
POLI REKAYASA Volume 5, Nomor 1, Oktober 2009
1. Peralatan yang dibuat telah dapat
bekerja dengan baik sebagai pegganti
sumber listrik didaerah terpencil,
dimana solar cell bekerja optimal
selama 3-4 jam untuk mengisi muatan
pada accu.
2. Penggunaan SCR sebagai komponen
mengalirkan arus dari sumber tegangan
(solar cell) hendaknya disesuaikan
dengan
kemampuan
daya
arus
maksimum yang dapat dialirkan pada
waktu pengisian accu dan juga terhadap
pemakaian
beban
listrik
bila
dioperasikan, jangan sampai arus
pengisian terlalu kecil dari kemampuan
maksimum arus output dari solar cell.
3. Untuk memperkecil kerugian daya bila
kita menggunakan relay atau lainnya
dan supply tegangan untuk MOSFET
jauh lebih besar dengan kemampuan
arus disesuaikan dengan kebutuhan
beban pengisian dan pemakaian pada
saat beban listrik dioperasikan.
ISSN 1858-3709
Joseph J. Carr, 1979. Element of Electronic
Instrumenttation and Measurement,
Resto.
Malvino, albert paul, 1981. Prinsip dan
penerapan
digital,
Erlangga,
Jakarta.
Millman, Microelectronic : Digital and
Analog Circuits and Systems, McGraw hill.
Texas Instruments Incorporated, Design
with TTL Integrated Circuits,
McGraw- Hill International book
company.
SARAN
1. Penggunaan
komponen
dalam
pembuatan seperti resistor hendaknya
digunakan yang mempunyai nilai
toleransi paling rendah.
2. Peralatan ini hendaknya diberikan
cover yang dapat melindungi alat
dari percikan air dan terlindungi dari
getaran-getaran bile digunakan
pada
daerah yang rawan getaran gempa dan
juga jangan sampai tercebur/terendam
didalam air.
3. Peralatan ini perlu dilakukan setting
secara berkala. Terutama pada setting
input pada rangkaian komparator (opamp), dengan penyetelan variabel
resistor masing-masing.
DAFTAR PUSTAKA
Cooper, william david, 1999. Instrumentasi
elektronika dan Teknik Pengukuran.
Jakarta, Erlangga.
Hayt Neudeck. 1976. Electronic Circuits
Analysis and Design, Houghton
Mifflin Company
6