BAB II DASAR TEORI. dimana: P = Daya dalam watt (W) I = Arus keluaran dalam ampere (A) V = Tegangan keluaran dalam volt (V)

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI Pada bab ini di jelaskan mengenai dasar teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam merealisasikan sistem. Dasar teori yang digunakan dalam pembuatan skripsi ini terdiri dari : 2.1. Panel Surya Panel surya adalah salah satu jenis sensor cahaya photovoltaic, yaitu sensor yang dapat mengubah intensitas cahaya menjadi perubahan tegangan pada outputnya. Panel Surya ini terbuat dari bahan Silikon (Si), Kadmium Telurida (CdTe) dan tembaga indium Gallium Selenida (CIGS)[3]. Pada skripsi ini panel surya digunakan sebagai sumber tegangan untuk melakukan pengisian baterai. Panel surya bekerja berdasarkan efek fotovoltaik, yaitu terbebasnya elektron pada suatu logam karena adanya cahaya yang mengenai permukaan logam. Daya yang dihasilkan oleh panel surya dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut[4] : P = IxV (2.1) dimana: P = Daya dalam watt (W) I = Arus keluaran dalam ampere (A) V = Tegangan keluaran dalam volt (V) Panel surya yang digunakan untuk sistem ini adalah Sunrise Solartech SRM- 50D. Spesifikasi dari panel surya ini adalah sebagai berikut : 4

2 Tabel 2.1. Spesifikasi Panel Surya [5] Daya standar Tegangan Daya Maksimum (Vmp) Arus Daya Maksimum (Imp) Open Circuit Voltage (Voc) Short Circuit Current (Isc) Jumlah Sel Surya Ukuran Panel Surya 50 W 17,4 V 2,88 A 21,4 V 3,14 A x535x28 mm Gambar 2.1. Panel surya Sunrise Solartech SRM-50D 5

3 2.2. Buck and Boost Converter Rangkaian buck-boost adalah rangkaian yang dapat menaikkan atau menurunkan tegangan. Prinsip kerja dari rangkaian buck-boost dibagi menjadi 2 mode. Pada saat mode pertama, yaitu MOSFET yang pada gambar ditulis switch dalam kondisi ON sehingga arus input akan melalui induktor L dan MOSFET karena dioda Dm mendapat bias mundur. Pada saat mode kedua, yaitu MOSFET dalam kondisi OFF, arus dari induktor L akan mengalir ke kapasitor C kemudian ke dioda Dm dan beban. Gambar 2.2. Rangkaian buck-boost Konverter. Dalam hal ini energi yang tersimpan didalam induktor L akan diteruskan ke beban sehingga arus induktor akan berkurang sampai MOSFET dalam siklus ON berikutnya. Gambar 2.3. Rangkaian buck-boost dengan Analisa Tertutup. Pada Gambar 2.3 menunjukkan rangkaian buck-boost dalam kondisi MOSFET ON. Hal ini menyebabkan dioda Dm bekerja reverse sehingga arus akan mengalir ke induktor L. Dengan adanya arus yang mengalir ke induktor maka terjadi pengisian arus pada induktor sehingga arus induktor (IL) naik. 6

4 Gambar Rangkaian buck-boost dengan Analisa Terbuka. Gambar 2.4 menunjukkan rangkaian buck-boost dalam kondisi MOSFET OFF. Hal ini menyebabkan diode Dm bekerja forward sehingga arus mengalir L, C, Dm dan beban. Energi yang tersimpan di induktor mengalami pengosongan. Buck-boost menghasilkan tegangan keluaran yang terbalik tanpa memerlukan trafo. Oleh karena itu maka buck-boost dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah maupun lebih tinggi dari tegangan masukan. Dengan catatan, bila duty cycle PWM sebagai pemicu switch lebih dari 50%, maka tegangan keluaran akan lebih tinggi dari tegangan masukan. Jika duty cycle PWM kurang dari 50%, maka tegangan keluaran akan lebih rendah dari tegangan masukan [6] Sensor Arus ACS 712 Sensor arus yang digunakan merupakan modul ACS712 20A untuk mendeteksi besar arus pada keluaran panel surya dan arus yang menuju baterai. Sensor ini membutuhkan tegangan sebesar 5V. Saat arus mengalir melewati modul ACS712, maka modul akan mendeteksi dan mengubahnya menjadi tegangan[7]. Tegangan inilah yang dibaca oleh Arduino. Perubahan nilai tegangan ini selanjutnya yg dibaca Arduino sebagai perubahan arus. Sensor ACS712 ini pada saat tidak ada arus yang terdeteksi, maka keluaran sensor bernilai 2,5 V. Ketika arus mengalir dari terminal IP+ ke IP-, akan bernilai>2,5 V. Sedangkan ketika arus listrik mengalir terbalik dari terminal IP- ke IP+, maka keluaran akan bernilai <2,5 V Sensor Tegangan Sensor tegangan digunakan untuk mendeteksi tegangan keluaran dari panel surya dan baterai. Sensor tegangan yang digunakan merupakan prinsip pembagi tegangan menggunakan resistor. Tegangan analog input maksimum dari Arduino adalah 5V, sehingga untuk mengukur tegangan yang lebih dari 5V dibutuhkan sebuah rangkaian pembagi tegangan. Rangkaian pembagi tegangan ini dirancang dengan nilai resistor tertentu sehingga tegangan yang masuk ke Arduino tidak akan bernilai lebih dari 5V. 7

5 Selanjutnya perubahan nilai tegangan ini akan dibaca oleh Arduino dan dikalibrasi sehingga Arduino dapat menampilkan nilai real tegangan yang diukur. Gambar 2.5. Sensor Tegangan 2.5. MOSFET Transistor efek-medan semikonduktor logam-oksida (MOSFET) adalah salah satu jenis transistor efek medan. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) merupakan salah satu jenis transistor yang memiliki impedansi masukan (gate) sangat tinggi (hampir tak berhingga) sehingga dengan menggunakan MOSFET sebagai saklar elektronik[8], memungkinkan untuk menghubungkannya dengan semua jenis gerbang logika. MOSFET mempunyai tiga terminal yaitu Source (S), Drain (D), dan Gate (G). Dibandingkan dengan transistor bipolar, dengan memiliki impedansi masukan yang tinggi MOSFET hampir tidak membutuhkan arus input untuk mengontrol arus beban. Mosfet terbagi lagi menjadi dua tipe Depletion-mode MOSFET dan Enhancement-mode MOSFET. Pada Depletion-mode MOSFET, mosfet akan berkondisi ON ketika tegangan pada gate-source (Vgs) nol volt, dan dapat di ubah ke kondisi OFF ketika tegangan gate lebih rendah dari tengangan source (tegangan negatif) untuk NMOS, atau tegangan gate lebih tinggi dari tegangan source (tegangan positif) untuk PMOS. Sebaliknya pada tipe Enhancement-mode MOSFET, mosfet akan berkondisi OFF ketika tegangan pada gate-source (Vgs) nol volt, dan dapat di ubah ke kondisi ON ketika tegangan gate lebih tinggi dari tengangan source untuk NMOS, atau tegangan gate lebih rendah dari tegangan source untuk PMOS. Berikut adalah gambar dari simbol MOSFET : 8

6 Gambar 2.6. Simbol MOSFET[8] 2.6. Arduino Nano AT-Mega 328 Arduino Nano pada sistem ini berfugsi sebagai pengontrol utama, dimulai dari pengolahan data sensor, menampilkan hasil data sensor pada LCD, pengaturan sistem pengisian baterai, hingga pengaturan saklar beban. Arduino Nano merupakan bentuk mini dari Arduino Uno. Berikut spesifikasi dari Arduino Nano yang digunakan dalam sistem : Gambar 2.7. Arduino Nano 328. Tabel 2.2. Spesifikasi Arduino Nano[9] 9

7 Mikrokontroler Arsitektur Tegangan Operasi Memori Flash SRAM Clock Speed Analog I/O Pins EEPROM Arus DC tiap Pin I/O Tegangan Masukan Digital I/O Pins PWM Output Konsumsi Daya Ukuran PCB Berat ATmega328 AVR 5 V 32 KB 2 KB 16 MHz 8 1 KB 40 ma 7 12 V ma 18x45 mm 7 gr 2.7. Baterai Baterai merupakan sebuah perangkat yang dapat menyimpan listrik sesuai dengan spesifikasi dengan jenis baterai. Terdapat 2 jenis Baterai yaitu primer dan sekunder[10]. Primer adalah jenis baterai yang tidak bisa diisi ulang atau sekali pakai, sedangkan sekunder adalah jenis baterai yang dapat diisi ulang. Pada perancangan alat peraga ini menggunakan baterai jenis lead acid. Reaksi kimia yang terjadi saat pengosongan dan pengisian di baterai ini adalah : Elektoda Positif PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + + 2e PbSO 4 + 2H 2 O (2.2) 10

8 Elektoda Negatif Pb + H 2 SO 4 PbSO 4 + 2H + + 2e (2.3) Reaksi Total PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 2PbSO 4 + 2H 2 O (2.4) Aki 12 Volt memiliki 6 sel. Setiap sel pada aki memiliki tegangan sekitar 2 Volt. Sedangkan untuk pengisiannya, setiap sel diberi tegangan sekitar 2,3 Volt sampai 2,45 Volt [10]. Sehingga, untuk mengisi aki 12 Volt dibutuhkan kurang lebih tegangan 13,8 Volt sampai 14,4 Volt. Pada skripsi ini baterai yang digunakan adalah baterai lead-acid Panasonic 12 Volt 7 Ah dengan spesifikasi sebagai berikut : Tabel 2.3. Spesifikasi Baterai Panasonic 12Volt 7Ah[11] Tegangan 12 Volt Kapasitas 7 Ah Dimensi 151mm 64.5mm 94mm Berat 3,1 Kg Gambar 2.8. Baterai Panasonic 12 Volt 7 Ah 2.8. PWM (Pulse Width Modulation) 11

9 PWM (Pulse Width Modulation) adalah suatu teknik modulasi yang mengatur lebar pulsa keluaran. Pada mikrokontroler sumber pulsa dihasilkan melalui clock internal lalu dimodulasikan dengan gelombang yang dihasilkan dari pembangkit gelombang. Alat peraga ini cara kerjanya pulsa yang dihasilkan diatur dengan menggunakan PWM melalui mikrokontroler agar dapat menyesuaikan dengan kondisi baterai yang akan di isi ulang. Pada saat kondisi baterai penuh, intensitas tegangan yang dialirkan ke baterai sangat kecil bahkan hampir tidak ada tegangan yang dialirkan ke baterai, sedangkan Pada saat kondisi muatan baterai akan habis, intensitas tegangan yang dialirkan ke baterai sangat besar bahkan tegangan yang di alirkan ke baterai hampir tidak ada putusnya. Sehingga diharapkan proses pengisian ulang baterai lebih efisien dan baterai lebih tahan lama. Gambar 2.9. Pulsa keluaran PWM saat pengisian baterai[12] Berdasarkan Gambar 2.9 dapat dilihat bahwa saat kondisi baterai kosong maka charge controller mengirimkan duty cycle high, saat kondisi baterai tengah maka charge controller akan duty cycle medium dan saat kondisi baterai penuh charge controller mengirimkan duty cycle minimum LCD

10 Layar LCD merupakan suatu modul penampilan data untuk menampilkan sebuah karakter pada layar LCD diperlukan beberapa rangkaian tambahan. Untuk lebih memudahkan para pengguna, maka beberapa perusahaan elektronik menciptakan modul LCD. Pada skripsi ini penulis menggunakan LCD 20 4 sebagai media penampil yang digunakan untuk menampilkan duty cycle, tegangan dan arus pada sistem. Gambar LCD 20x4 LCD dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian depan LCD yang terdiri dari banyak dot atau titik LCD dan mikrokontroler yang menempel pada bagian belakang panel LCD yang berfungsi untuk mengatur titik LCD sehingga dapat menampilkan huruf, angka, simbol khusus yang dapat terbaca. Modul LCD berukuran 20 karakter 4 baris dengan fasilitas backlighting memiliki 16 pin terdiri dari 8 jalur data, 3 jalur kontrol dan jalur jalur catu daya, dengan fasilitas pin yang tersedia maka LCD 20 4 dapat digunakan secara maksimal untuk menampilkan data yang dikeluarkan oleh mikrokontroler. Berikut adalah tabel dari pin yang terdapat pada LCD 20 4 berserta fungsinya: Tabel 2.4 Pin LCD 20x4 beserta fungsinya[13] 13

11 Pin Symbol Function 1 Vss 2 Vdd 3 Vo 4 Rs 5 R/W 6 E 7 DB0 8 DB1 9 DB2 10 DB3 11 DB4 12 DB5 13 DB6 14 DB7 15 A/Vee 16 K GND + 3V or + 5V Contrast Adjustment H/L Register Select Signal H/L Read/Write Signal H L Enable Signal + 4,2 for LED/Negative Voltage Output Power Supply for B/L (OV) I 2 C (Inter Integrated Circuit ) 14

12 Inter Integrated Circuit atau sering disebut I 2 C adalah standar komunikasi serial dua arah menggunakan dua saluran yang didesain khusus untuk mengirim maupun menerima data. Sistem I 2 C terdiri dari saluran SCL (Serial Clock) dan SDA (Serial Data) yang membawa informasi data antara I 2 C dengan pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I 2 C Bus dapat dioperasikan sebagai Master dan Slave. Master adalah piranti yang memulai transfer data pada I 2 C Bus dengan membentuk sinyal Start, mengakhiri transfer data dengan membentuk sinyal Stop, dan membangkitkan sinyal clock. Slave adalah piranti yang dialamati master. Gambar Modul I 2 C [14] Di mana pin GND akan tersambung ke pin GND arduino, begitu juga dengan pin VCC tersambung dengan pin VCC arduino. Pin SDA dan pin SCL pada I 2 C akan tersambung ke pin SDA dan pin SCL pada arduino. 15