rancang bangun pengatur tegangan keluaran

 RANCANG BANGUN INVERTER SATU FASA DENGAN PWM BERBASIS
MIKROKONTROLER PADA SIMULATOR PANEL SISTEM SOLAR SEL
DESIGN SINGLE PHASE INVERTER WITH PWM MIKROKONTROLLER BASE ON SOLAR CELL
SIMULATOR PANEL SYSTEM
Lingga Arisagita (091321085)
Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Listrik
Politeknik Negeri Bandung
Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kotak pos 6468 BDCD, Bandung
(022) 2012045
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Pada Proyek Akhir ini akan dirancang dan dibangun sebuah inverter DC-AC pada
simulator panel sistem solar sel. Fungsi rangkaian inverter dalam sistem ini adalah untuk
mengubah tegangan keluaran dari solar sel berupa tegangan DC menjadi tegangan AC . Pada
inverter ini terdapat mosfet yang berfungsi sebagai switch. Pengendali dalam inverter ini
dengan menggunakan modulasi lebar pulsa yang dikendalikan oleh mikrokontroler ATmega 16.
Kata kunci : Inverter DC-AC, MOSFET, Mikrokonroller ATMEGA 16
pembangkit listrik alternatif guna memenuhi
PENDAHULUAN
Listrik merupakan kebutuhan dalam
kebutuhan kelistrikan pada daerah tersebut.
kehidupan sehari-hari. Penggunaan energi listrik
Selain itu banyak daerah-daerah dan industri-
mencangkup
membuat
industri yang sengaja menggunakan solar sel
kebutuhan listrik tidak diimbangi oleh sumber
sebagai cadangan energi listrik jika penyalur
penghasil energi listrik yang memadai, Oleh
energi listrik utama mengalami gangguan. Oleh
karena
karena itu solar sel akan menjadi salah satu
itu
banyak
aktivitas
diperlukan
pembangkit
listrik
alternatif salah satunya solar sel. Solar sel
alternatif yang sangat baik.
menjadi pembangkit listrik alternatif yang
sangat sesuai dengan kondisi Negara kita yang
beriklim tropis. Solar sel dapat menyerap
cahaya
matahari dan dikonversi langsung
menjadi energi listrik searah ( DC ).
Penyalur
terkadang
masih
daerah-daerah
memungkinkan
energi
tidak
terpencil
bila
listrik
dapat
sel
hasilkan panel surya merupakan DC murni.
Tentu saja tegangan DC saja belum cukup,
karena
beban
listrik
yang
di
gunakan
membutuhkan sumber tegangan AC. Untuk
ada
mengatasi hal tersebut maka di buatlah Inverter
menjangkau
yang berfungsi mengubah tegangan DC menjadi
yang
sehingga
solar
Namun tegangan dan arus yang di
sangat
dijadikan
tegangan AC.
Inverter adalah suatu konverter yang
tegangan AC. Untuk mengatasi hal tersebut
merubah sistem
tegangan DC yang tetap
maka di buatlah inverter yang berfungsi
menjadi tegangan AC dengan nilai tegangan dan
mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.
frekuensi yang dapat di atur sesuai dengan
kebutuhan. Inverter
menggunakan
yang
akan
dibuat
Inverter
topologi
gelombang
penuh
Inverter adalah suatu konverter yang
switching
MOSFET,
dimana
mengubah sistem tegangan DC yang tetap ke
sebagai pengaturan SPWM (sinusoidal pulse
sistem tegangan AC dengan nilai tegangan
dengan
width
alat
modulation)
nya
diatur
dengan
menggunakan mikrokontroler.
dan frekuensi sesuai kebutuhan. Tegangan
masukan inverter bisa dari baterai ataupun
sumber DC lainnya. Beberapa pemakaian
LANDASAN TEORI
Pembangkit Listrik tenaga Surya
inverter antara lain :
1)
Catu daya darurat
2)
Catu daya tak terputus untuk komputer
3)
Pengendali kecepatan motor AC
4)
Pemanas induksi
5)
Dll
Cara Kerja Rangkaian Inverter
Gambar 1 Skema pembangkit listrik tenaga
surya
Pada pembangkit listrik tenaga surya,
elemen yang menghasilkan tenaga listrik adalah
panel surya. Prinsip dari Panel surya ialah
Gambar 2 Rangkaian Full Bridge Inverter
mengubah intensitas cahaya matahari menjadi
energi listrik yang dapat digunakan untuk
mencatu peralatan elektronik.Panel surya/modul
surya merupakan suatu paket yang terdiri dari
sel-sel yang disusun secara horizontal dan
dilapisi oleh kaca. Tegangan dan arus yang di
hasilkan panel surya merupakan DC murni.
Rangkaian daya Inverter satu fasa
jembatan penuh terdiri dari 4 buah saklar
semikonduktor
dalam
hal
ini
adalah
mosfet.Saklar S1 dan S4 ON-OFF secara
bersama-sama demikian juga saklar S2 dan S3.
Namun tegangan DC saja belum cukup, karena
Pada saat saklar S1 dan S4 ON, maka
beban listrik yang di gunakan membutuhkan
saklar S2 dan S3 OFF. Oleh karena itu pada saat
saklar S1 dan S4 ON maka tegangan input
Untuk menghasilkan sinyal PWM tersebut dapat
melewati beban seperti terlihat
+VDC akan
menggunakan 2 buah sinyal sinus dan 1 sinyal
segitiga atau dengan menggunakan 1 buah
pada gambar 3.
sinyal sinus dan 2 buah sinyal segitiga. Pada
proses
menggunakan 2 buah sinyal sinus dan sebuah
sinyal
pembangkitan
segitiga,
SPWM
dilakukan
dengan
pembandingan
amplitudo antara sinyal segitiga dengan sinyal
sinus. Sinyal penggerak akan dibangkitkan
apabila amplitude sinyal sinus lebih besar
daripada amplitudo sinyal segitiga. Masing-
Gambar 3 Setengah siklus 1 inverter satu
fasa jembatan gelombang penuh
Sedangkan pada saat saklar S2 dan S3
ON maka tegangan input -VDC akan melewati
masing sinyal penggerak digunakan untuk
penyaklaran
sehingga
diperoleh
sinyal
PWM.Proses pembangkitan SPWM tersebut
dapat dilihat pada gambar .
beban , seperti pada gambar di bawah ini :
Pasangan 1
Pasangan 2
Tegangan
Keluaran
Gambar 4 Setengah Siklus 2 Inverter satu
fasa jembatan penuh penuh
Tabel 1 Kombinasi Penyaklaran Komponen
Penyaklaran Daya danTegangan
keluaran Inverter
Pengendalian Tegangan Inverter
Prinsip
kerja
pembangkitan sinyal
PWM sinusoida satu fasa adalah mengatur lebar
pulsa
mengikuti
sinusoida.Frekuensi
pola
sinyal
gelombang
referensi
menentukan frekuensi keluaran inverter.
S1
S4
S2
S3
VAB
ON
OFF
ON
OFF
+ VDC
OFF
ON
OFF
ON
- VDC
OFF
ON
ON
OFF
0
ON
OFF
OFF
ON
0
e
Ac
Ar
Gelombang
acuan, vr
secara look up table. Cara inilah yang
Gelombang
pembawa, vc
-vr
2

vAN
(a)
-vr > vc
TB+ : on
vr > v c
TA+ : on
t

2
t
sistem
computer kecil yang biasa digunakan untuk
sistem
pengendali
atau
pengontrol
yang
deprogram sesuai kebutuhan. Pada perancangan
alat ini, mikrokontroller difungsikan sebagai
Vd
0

2
t
(c)
0
- Vd
rangkaian driver. Dasar pembuatan sistem atau
m
  m
ini
adalha
menggunakan
bantuan
mikrokontroller.Hal tersebut dikarenakan lebih
Vo fundamental (vo1)
m
Vd
counter atau pencacah sekaligus pengendali
alat
Vo = VAN - VBN
merupakan
(b)
vBN
Mikrokontroler ATMEGA16
Mikrokontroler
Vd
0
dipakai dalam perancangan tugas akhir ini.

2
t
(d)
praktis dan lebih mudah dalam pembuatan
rangkaiannya.
Gambar 5 (a) Proses pembandingan antara
sinyal pembawa dengan sinyal referensi, (b)
Sinyal penggerak VAN, (c) Sinyal penggerak
VBN, (d) Sinyal SPWM
Proses pembangkitan SPWM secara digital
dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu:
1. Dengan membangkitkan gelombang segitiga
dan gelombang sinus secara diskret dengan
metode look up table. Kemudian dilakukan
pembandingan untuk masing-masing nilai
amplitudo gelombang sinus dan segitiga
seperti pada gambar 1. Cara ini sama halnya
dengan membangkitkan gelombang sinus
analog dan gelombang segitiga analog secara
digital.
pulsa
masing-masing
ini adalah jenis
ATmega
16
merupakan
produksi dari ATMEL, berbasis arsitektur RISC
(Reduced Instruction Set Computer).Hampir
semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus
clock. ATMega 16 mempunyai throughput
mendekati 1 MIPS per MHz membuat desainer
pembangkitan
sinyal
versus kecepatan proses.
sinyal
penggerak, untuk dijadikan data dalam
proses
Mikrokontroler yang digunakan pada alat
sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya
2. Dengan mencari terlebih dahulu waktu untuk
setiap
Gambar 6 Mikrokontroller ATmega16
penggerak
Berikut
kemampuan
mikrokontroler ATMega 16 antara lain:
1.
Advance RISC Architecture
dari
 Internal Calibrated RC Oscillator
 130 Powerful Instructions – Most
Single Clock Cycle Execution
 External
 32 x 8 General Purpose Fully Static
 Up to 16 MIPS Throughput at 16
Reduction,
 On-chip 2-cycle Multiplier
Program
and
Bytes
5.
Data
and Extended
I/O and Package
 32 Programmable I/O Lines
of
In-System
 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-
Self-
Programmable Flash
lead PLCC, and 44-pad MLF
 Optional Boot Code Section with
6.
Operating Voltages
 2.7 - 5.5V for Atmega16L
Independent Lock Bits
Power-
Standby
Memories
 8K
Power-save,
down, Standby
MHz
Nonvolatile
Interrupt
 Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise
Operation
2.
Internal
Sources
and
 512 Bytes EEPROM
 4.5 - 5.5V for Atmega16
 512 Bytes Internal SRAM
 Programming Lock for Software
Driver MOSFET
Security
Rangkaian
3.
Peripheral Features
 Two 8-bit Timer/Counters with
Separate Prescalers and Compare
Mode
 Two 8-bit Timer/Counters with
Separate Prescalers and Compare
rangkaian
adalah
menghubungkan
antara
rangkaian control dapat berfungsi dengan baik
terhadap mosfet. Fungsi utama dari driver
mosfet adalah untuk dapat mengoprasikan
mosfet dari keadaan OFF ke On dan sebaliknya.
Dalam membuat rangkaian pengendali
 One 16-bit Timer/Counter with
gate
MOSFET,
diperlukanlah
sebuah
Separate Prescaler, Compare Mode,
optocoupler . Optocoupler adalah suatu IC yang
and Capture Mode
meskipun secara fisik menjadi satu, tetapi
 Real Time Counter with Separate
Oscillator
sebenarnya di dalamnya terdiri dari dua bagian
yang terpisah antara antara bagian cahaya
 Four PWM Channels
dengan bagian deteksi sumber cahaya. Pada
 8-channel, 10-bit ADC
optocoupler terdapat isolasi elektris, yaitu
 Byte-oriented
Two-wire
Serial
Interface
kondisi yang terisolasi antara masukan dan
keluarannya
(electrical
isolation).
 Programmabel Serial USART
Penggunaannya
Special Microcontroller Features
memisahkan dua bagian. Optocoupler yang
 Power-on Reset and Programmable
digunakan adalah IC TLP 250, karena di
Brown-out Detection
Mosfet
rangkaian control dengan mosfet sehingga
Modes
4.
yang
Driver
memungkinkan
untuk
dalamnya
sudah
dilengkapi
rangkaian
penguatan. MOSFET merupakan komponen yang
terdiri dari tiga terminal yang disebut gerbang,
drain dan sumber. Antara drain dan sumber ada
VCC
N.C
Anoda
Output
Katoda
Output
bahan substrat. Bahan substrat ini yang akan
mengalirkan
arus
dari
drain
ke
sumber.
Konduktifitas bahan substrat ditentukan oleh
tegangan yang diberikan antara gate dan
N.C
GND
sumber.
Gambar 7 Pin Optocoupler TLP 250
Gerbang
Drain
Sumber
+ 15
n
n
N.C
R
Dari PWM
Ke Gate MOSFET
bahan
substrat
0.1 uF
Ke Source MOSFET
N.C
MOSFET
Gambar 10Konstruksi
Kontruksi
MOSFET
MOSFET dikendalikan oleh tegangan
Gambar 8 Rangkaian Optocoupler TLP 250
dan memiliki impedansi masukan yang sangat
tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor
MOSFET
yang sangat kecil pada orde nanoampere.
MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field
Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang
effect transistor) atau transistor efek medan,
sangat tinggi. Tetapi masih bisa mengalirkan
yang hampir sama dengan JFET (junction field
arus dengan memberikan tegangan gerbang ke
effect) dan IGBT (insulated gate bipolar
sumber. Hal ini akan mempengaruhi sifat
transistor)
konduktivitas
yaitu
semikonduktor
n
tersusun
dan
dari
bahan
semikonduktor
p.
MOSFET.
substrat
MOSFET
yang
ada
memiliki
didalam
masalah
MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki
pengosongan elektro statis karena substrat yang
konduktor.
didalamnya bersifat penyimpan muatan.
Mosfet mempunyai kaki-kaki :
Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat
1.
Sumber (Source) = S
dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai
2.
Cerat (Drain) = D
penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat
3.
Gerbang (Gate) = G
mengalirkan arus jika diberikan tegangan
gerbang-sumber (VGS) yang lebih besar dari
tegangan konduksi (VT). Saat VGS < VT maka
MOSFET OFF, saat VGS > VT maka MOSFET
ON. Kecepatan switching sangat tinggi dalam
Gambar 9 Lambang MOSFET
orde nanodetik.
CARA PENGUJIAN
ANALISA DAN
HASIL
gelombang yang on – off secara bergantian
dalam satu perioda yaitu 20 ms an dari gambar
dapat
Pengujian
Rangkaian
Kontrol
diambil
kesimpulan
bahwa
teknik
pengendalian SPWM sudah berhasil.
(mikrokontroler)
Pengujian
ini
bertujuan
untuk
mengetahui besarnya tegangan yang keluar dan
Pengujian rangkaian catu daya driver
bentuk gelombang pada rangkaian catu daya ini
yang akan digunakan untuk memberikan sumber
tegangan ke rangkaian driver atau optocoupler.
Pengujian
ini
dimaksudkan
untuk
melihat keluaran catu daya yang dirancang
untuk mensuplay rangkaian driver 15 volt
karena tegangan kerja dari optocoupler ini
adalah 10 – 35 Volt, sedangkan kapasitas Gate
dari Mosfet yaitu 4 – 20 maka tegangan 15 Volt
ini akan dapat mengoperasikan optocoupler dan
juga memberikan Trigger pada Mosfet pada
rangkaian daya Inverter ini.
Gambar 11 . Rangkaian Pengujian rangkaian
kontrol
Gambar 13 Rangkaian Pengujian Catu daya
driver MOSFET
Gambar 12 Keluaran SPWM pada
mikrokontroler
Tabel 2 data osciloscope pengujian keluaran
(b)
(a)
mikrokontroler
Analisa:
SPWM
Volt/div
bentuk
yang
diinginkan
dari
Chanel 1
5V
1V
2 ms
Chanel 2
5V
1V
2 ms
modulasi
gelombang sinusoida 50 Hz dengan gelombang
segitiga 600 Hz. Bisa dilihat dengan bentuk
Time/div
V(p)
Nilai keluaran dan bentuk gelombang
yang di program sudah sesuai dengan nilai dan
Amplitude
Gambar 14 Keluaran Catu daya driver MOSFET
Volt/div
Amplitude
V(p)
Time/div
5V
2,8 V
2 ms
(a) pengukuran
dengan volt meter (b)
pengukuran dengan oscilloscope
Tabel 3 Tegangan Keluaran Catu Daya
driver
Catu
Daya
1
Volt/div
Amplitude
Volt (DC)
V(p)
5V
3V
15 V
2
5V
3V
15 V
3
5V
3V
15 V
5V
3V
15 V
4
Analisa:
Nilai keluaran dan bentuk gelombang yang
keluar dari rangkaian driver ini sudah sama
seperti keluaran mikrokontroler namun pada
saat trigger on ada spike yang keluar dari
rangkaian ini. Dan tinggi amplitudo dari
rangkaian driver ini lebih besar dari
mikrokontroler karena Vcc rangkaian driver ini
15 volt DC sehingga keluaranya ± 14 volt dari
keluaran mikrokontroler sebesar 5 volt.
Analisa :
Nilai tegangan keluaran dari rangkaian power
supply 15 Volt DC ini sudah sesuai dengan
Pengujian Arus Beban
spesifikasi yang dikehendaki. Untuk gelombang
keluarannya sudah bagus, terlihat pada gambar
Pengujian ini, rangkaian inverter diuji arus
outputnya sudah rata atau DC murni.
bebannya (IRL).untuk mengujinya, digunakanlah
rheostat dengan kapasitas 48Ω/5 A.
Pengujian Rangkaian Driver
Tujuannya untuk mengetahui besarnya tegangan
Tabel 5 Pengujian Arus Beban
yang keluar dan bentuk gelombang pada
rangkaian driver ini yang diharapkan keluaranya
adalah sama dengan keluaran rangkaian kontrol
atau mikrokontroler.
Gambar 15 Keluaran driver MOSFET
Tabel 4 Data Osciloscope Tegangan
Keluaran Driver
Vin (DC)
12
12
12
12
12
12
12
12
12
Vout
(AC)
6,98
6,6
6,4
6,2
5,4
4,92
3,63
3,42
2,8
Iin
1.2
1.8
3.4
2.8
3.5
4.0
4.2
4.8
5.5
Iout
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
yang terkalibrasi dan memiliki tingkat
KESIMPULAN
Dari berbagai pembahasan mulai dari
akurasi yang tinggi.
landasan teori serta dilakukannya proses
perancangan, realisasi, pengukuran, dan analisa
DAFTAR PUSTAKA
maka diambil beberapa kesimpulan sebagai
1. Arsip dan Catatan Kuliah Penulis dari
tahun 2009 s.d 2012 di Program Studi
Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro,
Politeknik Negeri Bandung.
2. Budiharto, Widodo, Panduan Praktikum
Mikrokontroler AVR ATmega16, PT Elex
Media Komputindo, Jakarta, 2008.
3. Heryanto, M. Ary, ST., Pemrograman
Bahasa
C
untuk
Mikrokontroler
ATMEGA8535,
ANDI
Yogyakarta,
Yogyakarta, 200.
4. Rashid, Muhammad H., Elektronika Daya
(Power Electronic: Circuit, Devices, and
Application, 2nd edition), PT. Prenhalindo,
Jakarta, 1999.
5. Sholihul Hadi, Mokh. MENGENAL
berikut :
1.
Nilai keluaran dan bentuk gelombang
yang di program sudah sesuai dengan
nilai dan bentuk yang diinginkan dari
modulasi gelombang sinusoida 50 Hz
dengan gelombang segitiga 600 Hz.
2. Hasil
pengujian inverter didapatkan
inverter dapat di bebani sampai 5 A.
SARAN
Apabila diamati dari saat perancangan,
pembuatan serta realisasi ternyata terdapat
beberapa aspek yang harus diperhatikan dalam
rangka menunjang kesempurnaan inverter yang
dibuat, diantaranya
1.
Dalam hal penggunaan komponen
hendaknya
diperhatikan
dari
segi
tingkat akurasi dan kualitasnya.
2.
Untuk menghasilkan daya maksimal
dengan efisiensi yang tinggi,
disarankan untuk menggunakan
transformator step up untuk menaikan
tegangan inverter.
3.
Penggunaan alat ukur dan alat bantu
lainnya hendaknya digunakan alat ukur
MIKROKONTROLER AVR ATMega16.
[email protected]
6. Surya, Hasan, Buku I Bahan Ajar Elektronika
Daya, Jurusan Teknik Elektro, Bandung,
2010