ABSTRAK. Kata kunci : Inverter DC-AC, MOSFET, Mikrokonroller ATMEGA 16

Transkripsi

1 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 ( ) Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Bandung Jl. Gegerkalong Hilir, Ds. Ciwaruga Kotak pos 6468 BDCD, Bandung (022) 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 PENDAHULUAN Listrik merupakan kebutuhan dalam kehidupan sehari-hari. Penggunaan energi listrik mencangkup banyak aktivitas membuat kebutuhan listrik tidak diimbangi oleh sumber penghasil energi listrik yang memadai, Oleh karena itu diperlukan pembangkit listrik alternatif salah satunya solar sel. Solar sel 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 energi listrik yang ada terkadang masih tidak dapat menjangkau daerah-daerah terpencil sehingga sangat memungkinkan bila solar sel dijadikan pembangkit listrik alternatif guna memenuhi kebutuhan kelistrikan pada daerah tersebut. Selain itu banyak daerah-daerah dan industriindustri yang sengaja menggunakan solar sel sebagai cadangan energi listrik jika penyalur energi listrik utama mengalami gangguan. Oleh karena itu solar sel akan menjadi salah satu alternatif yang sangat baik. Namun tegangan dan arus yang di hasilkan panel surya merupakan DC murni. Tentu saja tegangan DC saja belum cukup, karena beban listrik yang di gunakan membutuhkan sumber tegangan AC. Untuk mengatasi hal tersebut maka di buatlah Inverter yang berfungsi mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.

2 Inverter adalah suatu konverter yang merubah sistem tegangan DC yang tetap menjadi tegangan AC dengan nilai tegangan dan frekuensi yang dapat di atur sesuai dengan kebutuhan. Inverter yang akan dibuat menggunakan topologi gelombang penuh dengan alat switching MOSFET, dimana sebagai pengaturan SPWM (sinusoidal pulse width modulation) nya diatur dengan menggunakan mikrokontroler. LANDASAN TEORI Pembangkit Listrik tenaga Surya tegangan AC. Untuk mengatasi hal tersebut maka di buatlah inverter yang berfungsi mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Inverter Inverter adalah suatu konverter yang mengubah sistem tegangan DC yang tetap ke sistem tegangan AC dengan nilai tegangan dan frekuensi sesuai kebutuhan. Tegangan masukan inverter bisa dari baterai ataupun sumber DC lainnya. Beberapa pemakaian 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 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. Namun tegangan DC saja belum cukup, karena beban listrik yang di gunakan membutuhkan Gambar 2 Rangkaian Full Bridge Inverter 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. Pada saat saklar S1 dan S4 ON, maka saklar S2 dan S3 OFF. Oleh karena itu pada saat

3 saklar S1 dan S4 ON maka tegangan input +VDC akan melewati beban seperti terlihat pada gambar 3. 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 beban, seperti pada gambar di bawah ini : Untuk menghasilkan sinyal PWM tersebut dapat menggunakan 2 buah sinyal sinus dan 1 sinyal segitiga atau dengan menggunakan 1 buah sinyal sinus dan 2 buah sinyal segitiga. Pada proses pembangkitan SPWM dengan menggunakan 2 buah sinyal sinus dan sebuah sinyal segitiga, dilakukan pembandingan amplitudo antara sinyal segitiga dengan sinyal sinus. Sinyal penggerak akan dibangkitkan apabila amplitude sinyal sinus lebih besar daripada amplitudo sinyal segitiga. Masingmasing sinyal penggerak digunakan untuk penyaklaran sehingga diperoleh sinyal PWM.Proses pembangkitan SPWM tersebut dapat dilihat pada gambar. Pasangan 1 Pasangan 2 Tegangan Keluaran S 1 S 4 S 2 S 3 V AB ON OFF ON OFF + V DC OFF ON OFF ON - V DC OFF ON ON OFF 0 ON OFF OFF ON 0 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 pola gelombang sinusoida.frekuensi sinyal referensi menentukan frekuensi keluaran inverter.

4 A c A r v AN e v r > v c T A + : on Gelombang acuan, v r -v r > v c T B + : on Gelombang pembawa, v c -v r 2 t (a) secara look up table. Cara inilah yang dipakai dalam perancangan tugas akhir ini. Mikrokontroler ATMEGA16 Mikrokontroler merupakan sistem V d 0 v BN 2 t (b) computer kecil yang biasa digunakan untuk sistem pengendali atau pengontrol yang deprogram sesuai kebutuhan. Pada perancangan alat ini, mikrokontroller difungsikan sebagai V d V d 0 Vo = V AN - V BN - V d 0 m m m V o fundamental (v o1 ) 2 2 t (c) t (d) counter atau pencacah sekaligus pengendali rangkaian driver. Dasar pembuatan sistem atau alat ini adalha menggunakan bantuan mikrokontroller.hal tersebut dikarenakan lebih praktis dan lebih mudah dalam pembuatan rangkaiannya. Gambar 5 (a) Proses pembandingan antara sinyal pembawa dengan sinyal referensi, (b) Sinyal penggerak V AN, (c) Sinyal penggerak V BN, (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. 2. Dengan mencari terlebih dahulu waktu untuk setiap pulsa masing-masing sinyal penggerak, untuk dijadikan data dalam proses pembangkitan sinyal penggerak Gambar 6 Mikrokontroller ATmega16 Mikrokontroler yang digunakan pada alat 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 sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses. Berikut kemampuan dari mikrokontroler ATMega 16 antara lain: 1. Advance RISC Architecture

5 130 Powerful Instructions Most Single Clock Cycle Execution 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz On-chip 2-cycle Multiplier 2. Nonvolatile Program and Data Memories 8K Bytes of In-System Self- Programmable Flash Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits 512 Bytes EEPROM 512 Bytes Internal SRAM Programming Lock for Software Security 3. Peripheral Features Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Mode Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode Real Time Counter with Separate Oscillator Four PWM Channels 8-channel, 10-bit ADC Byte-oriented Two-wire Serial Interface Programmabel Serial USART 4. Special Microcontroller Features Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection Internal Calibrated RC Oscillator External and Internal Interrupt Sources Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown, Standby and Extended Standby 5. I/O and Package 32 Programmable I/O Lines 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44- lead PLCC, and 44-pad MLF 6. Operating Voltages V for Atmega16L V for Atmega16 Driver MOSFET Rangkaian Driver Mosfet adalah rangkaian yang menghubungkan antara rangkaian control dengan mosfet sehingga 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 gate MOSFET, diperlukanlah sebuah optocoupler. Optocoupler adalah suatu IC yang meskipun secara fisik menjadi satu, tetapi sebenarnya di dalamnya terdiri dari dua bagian yang terpisah antara antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya. Pada optocoupler terdapat isolasi elektris, yaitu kondisi yang terisolasi antara masukan dan keluarannya (electrical isolation). Penggunaannya memungkinkan untuk memisahkan dua bagian. Optocoupler yang digunakan adalah IC TLP 250, karena di

6 dalamnya sudah dilengkapi rangkaian penguatan. N.C VCC Anoda Output Katoda Output N.C GND MOSFET merupakan komponen yang terdiri dari tiga terminal yang disebut gerbang, drain dan sumber. Antara drain dan sumber ada bahan substrat. Bahan substrat ini yang akan mengalirkan arus dari drain ke sumber. Konduktifitas bahan substrat ditentukan oleh tegangan yang diberikan antara gate dan sumber. Gambar 7 Pin Optocoupler TLP 250 Sumber Gerbang Drain + 15 R N.C n n Dari PWM 0.1 uf Ke Gate MOSFET bahan substrat N.C Ke Source MOSFET Konstruksi MOSFET Gambar 10 Kontruksi MOSFET Gambar 8 Rangkaian Optocoupler TLP 250 MOSFET MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field effect transistor) atau transistor efek medan, yang hampir sama dengan JFET (junction field effect) dan IGBT (insulated gate bipolar transistor) yaitu tersusun dari bahan semikonduktor n dan semikonduktor p. MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki konduktor. Mosfet mempunyai kaki-kaki : 1. Sumber (Source) = S 2. Cerat (Drain) = D 3. Gerbang (Gate) = G Gambar 9 Lambang MOSFET MOSFET dikendalikan oleh tegangan dan memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor yang sangat kecil pada orde nanoampere. Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang sangat tinggi. Tetapi masih bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber. Hal ini akan mempengaruhi sifat konduktivitas substrat yang ada didalam MOSFET. MOSFET memiliki masalah pengosongan elektro statis karena substrat yang didalamnya bersifat penyimpan muatan. Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat mengalirkan arus jika diberikan tegangan gerbang-sumber (V GS ) yang lebih besar dari tegangan konduksi (V T ). Saat VGS < VT maka MOSFET OFF, saat VGS > VT maka MOSFET ON. Kecepatan switching sangat tinggi dalam orde nanodetik.

7 CARA PENGUJIAN DAN HASIL ANALISA Pengujian Rangkaian Kontrol (mikrokontroler) Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui besarnya tegangan yang keluar dan bentuk gelombang pada rangkaian catu daya ini yang akan digunakan untuk memberikan sumber tegangan ke rangkaian driver atau optocoupler. gelombang yang on off secara bergantian dalam satu perioda yaitu 20 ms an dari gambar dapat diambil kesimpulan bahwa teknik pengendalian SPWM sudah berhasil. Pengujian rangkaian catu daya driver Pengujian ini dimaksudkan untuk melihat keluaran catu daya yang dirancang untuk mensuplay rangkaian driver 15 volt karena tegangan kerja dari optocoupler ini adalah 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 mikrokontroler (a) (b) Analisa: SPWM Volt/div Amplitude Time/div 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. Bisa dilihat dengan bentuk V(p) Chanel 1 5 V 1 V 2 ms Chanel 2 5V 1 V 2 ms

8 Gambar 14 Keluaran Catu daya driver MOSFET (a) pengukuran dengan volt meter (b) pengukuran dengan oscilloscope Tabel 3 Tegangan Keluaran Catu Daya driver Catu Daya Analisa : Volt/div Amplitude V(p) Nilai tegangan keluaran dari rangkaian power supply 15 Volt DC ini sudah sesuai dengan spesifikasi yang dikehendaki. Untuk gelombang keluarannya sudah bagus, terlihat pada gambar outputnya sudah rata atau DC murni. Volt (DC) 1 5 V 3 V 15 V 2 5 V 3 V 15 V 3 5 V 3 V 15 V 4 5 V 3 V 15 V Analisa: Volt/div 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. Pengujian Arus Beban Amplitude V(p) Pengujian ini, rangkaian inverter diuji arus bebannya (I RL ).untuk mengujinya, digunakanlah rheostat dengan kapasitas 48Ω/5 A. Time/div 5 V 2,8 V 2 ms Pengujian Rangkaian Driver Tujuannya untuk mengetahui besarnya tegangan 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 5 Pengujian Arus Beban Vin (DC) Vout (AC) Iin Iout 12 6, , , , , , , , , Tabel 4 Data Osciloscope Tegangan Keluaran Driver

9 KESIMPULAN Dari berbagai pembahasan mulai dari landasan teori serta dilakukannya proses perancangan, realisasi, pengukuran, dan analisa maka diambil beberapa kesimpulan sebagai 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 SARAN inverter dapat di bebani sampai 5 A. 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. yang terkalibrasi dan memiliki tingkat akurasi yang tinggi. DAFTAR PUSTAKA 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, Heryanto, M. Ary, ST., Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler ATMEGA8535, ANDI Yogyakarta, Yogyakarta, Rashid, Muhammad H., Elektronika Daya (Power Electronic: Circuit, Devices, and Application, 2nd edition), PT. Prenhalindo, Jakarta, Sholihul Hadi, Mokh. MENGENAL MIKROKONTROLER AVR ATMega16. m_sholihul_hadi@yahoo.com 6. Surya, Hasan, Buku I Bahan Ajar Elektronika Daya, Jurusan Teknik Elektro, Bandung, Penggunaan alat ukur dan alat bantu lainnya hendaknya digunakan alat ukur

10