BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sel Surya Panel surya adalah alat yang terdiri dari sel surya yang mengubah cahaya menjadi listrik. Mereka disebut surya atau matahari atau "sol" karena matahari merupakan sumber cahaya terkuat yang dapat dimanfaatkan. Panel surya sering kali disebut sel photovoltaic, photovoltaic dapat diartikan sebagai "cahaya listrik". Sel surya bergantung pada efek photovoltaic untuk menyerap energi. Pada umumnya, solar cell merupakan sebuah hamparan semi konduktor yang dapat menyerap photon dari sinar matahari dan mengubahnya menjadi listrik. Sel surya tersebut dari potongan silikon yang sangat kecil dengan dilapisi bahan kimia khusus untuk membentuk dasar dari sel surya. Sel surya pada umumnya memiliki ketebalan minimum 0,3 mm yang terbuat dari irisan bahan semikonduktor dengan kutub positif dan negatif. Pada sel surya terdapat sambungan (function) antara dua lapisan tipis yang terbuat dari bahan semikonduktor yang masing - masing yang diketahui sebagai semikonduktor jenis P (positif) dan semikonduktor jenis N (Negatif). Silikon jenis P merupakan lapisan permukaan yang dibuat sangat tipis supaya cahaya matahari dapat menembus langsung mencapai junction. Bagian P ini diberi lapisan nikel yang berbentuk cincin, sebagai terminal keluaran positif. Dibawah bagian P terdapat bagian jenis N yang dilapisi dengan nikel juga sebagai terminal keluaran negatif [6] Semikonduktor dan Sel Surya Sebuah semikonduktor adalah sebuah elemen dengan kemampuan listrik diantara sebuah konduktor dan isolator [7]. Sel surya adalah suatu perangkat yang memiliki kemampuan mengubah energi cahaya matahari menjadi energi listrik dengan mengikuti prinsip photovoltaic, adanya energi dari cahaya (foton) pada panjang gelombang tertentu akan mengeksitasi sebagian elektron pada suatu material ke pita energi yang ditemukan oleh Alexandre Edmond Bacquerel 5

2 (Belgia) pada Efek ini dapat timbul terutama pada semikonduktor listrik yang memiliki konduktivitas menengah dikarenakan sifat elektron di dalam material yang terpisah dalam pita-pita energi tertentu yang disebut pita konduksi dan pita valensi. Kedua pita energi tersebut berturut-turut dari yang berenergi lebih rendah adalah pita valensi dan pita konduksi, sedangkan keadaan tanpa elektron disebut dengan celah pita. Celah pita ini besarnya berbeda-beda untuk setiap material semikonduktor,tapi disyaratkan tidak melebihi 3 atau 4 ev (1 ev = 1,60 x J). Gambar 2.1 Solar Cell Berdasarkan teori Maxwell tenteng radiasi electromagnet, cahaya dapat dianggap sebagai spektrum gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda. Pendekatan yang berbeda dijabarkan oleh Einstein bahwa efek photovoltaic mengindikasikan cahaya merupakan partikel diskrit atau quanta energi [8]. Dualitas cahaya sebagai partikel dan gelombang dirumuskan dengan persamaan : 6

3 (2.1) h.c = (6,6256 x Js) (2,9979 x 108 m/s) = 1,9863 x Jm Proses Konversi Sel Surya Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor, yakni jenis n dan jenis p. Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif, (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami ini, electron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor. Dua jenis semikonduktor n dan p ini jika disatukan akan membentuk sambungan p-n atau dioda p-n. Istilah lain menyebutnya dengan sambungan metalurgi (metallurgical junction) yang dapat digambarkan sebagai berikut. a. Semikonduktor jenis p dan n sebelum disambung. 7

4 Gambar 2.2 Semikonduktor jenis p dan n Sebelum Disambung b. Sesaat setelah dua jenis semikonduktor ini disambung, terjadi perpindahan elektron-elektron dari semikonduktor n menuju semikonduktor p, dan perpindahan hole dari semikonduktor p menuju semikonduktor n. Gambar 2.3 Perpindahan elektron dan hole pada semikonduktor c. Elektron dari semikonduktor n bersatu dengan hole pada semikonduktor p yang mengakibatkan jumlah hole pada semikonduktor p akan berkurang. Daerah ini akhirnya berubah menjadi lebih bermuatan negatif. Pada saat yang sama. hole dari semikonduktor p bersatu dengan elektron yang ada pada semikonduktor n yang mengakibatkan jumlah elektron di daerah ini berkurang. Daerah ini akhirnya lebih bermuatan positif. Gambar 2.4 Hasil muatan positif dan negatif pada semikonduktor d. Daerah negatif dan positif ini disebut dengan daerah deplesi (depletion region) ditandai dengan huruf W. e. Baik elektron maupun hole yang ada pada daerah deplesi disebut dengan pembawa muatan minoritas (minority charge carriers) Karena keberadaannya di jenis semikonduktor yang berbeda. 8

5 f. Dikarenakan adanya perbedaan muatan positif dan negatif di daerah deplesi, maka timbul dengan sendirinya medan listrik internal E dari sisi positif ke sisi negatif, yang mencoba menarik kembali hole ke semikonduktor p dan elektron ke semikonduktor n. Medan listrik ini cenderung berlawanan dengan perpindahan hole maupun elektron pada awal terjadinya daerah deplesi. Gambar 2.5 Timbulnya Medan Listrik Internal E g. Adanya medan listrik mengakibatkan sambungan pn berada pada titik setimbang, yakni saat di mana jumlah hole yang berpindah dari semikonduktor p ke n dikompensasi dengan jumlah hole yang tertarik kembali kearah semikonduktor p akibat medan listrik E. Begitu pula dengan jumlah elektron yang berpindah dari semikonduktor n ke p, dikompensasi dengan mengalirnya kembali elektron ke semikonduktor n akibat tarikan medan listrik E. Pada sambungan p-n inilah proses konversi cahaya matahari menjadi listrik terjadi. Untuk keperluan sel surya, semikonduktor n berada pada lapisan atas sambungan p yang menghadap kearah datangnya cahaya matahari, dan dibuat jauh lebih tipis dari semikonduktor p, sehingga cahaya matahari yang jatuh ke permukaan sel surya dapat terus terserap dan masuk ke daerah deplesi dan semikonduktor p. 9

6 Gambar 2.6 Sambungan Semikonduktor Terkena Cahaya Matahari Ketika sambungan semikonduktor ini terkena cahaya matahari, maka elektron mendapat energi dari cahaya matahari untuk melepaskan dirinya dari semikonduktor n, daerah deplesi maupun semikonduktor. Terlepasnya elektron ini meninggalkan hole pada daerah yang ditinggalkan oleh elektron yang disebut dengan fotogenerasi electron hole yakni, terbentuknya pasangan elektron dan hole akibat cahaya matahari. 10

7 Gambar 2.7 Sambungan Semikonduktor Ditembus Cahaya Matahari Cahaya matahari dengan panjang gelombang (dilambangkan dengan symbol lamda sebagian di gambar atas) yang berbeda, membuat fotogenerasi pada sambungan pn berada pada bagian sambungan pn yang berbeda pula. Spektrum merah dari cahaya matahari yang memiliki panjang gelombang lebih panjang, mampu menembus daerah deplesi hingga terserap di semikonduktor p yang akhirnya menghasilkan proses fotogenerasi di sana. Spektrum biru dengan panjang gelombang yang jauh lebih pendek hanya terserap di daerah semikonduktor n. Selanjutnya, dikarenakan pada sambungan pn terdapat medan listrik E, elektron hasil fotogenerasi tertarik ke arah semikonduktor n, begitu pula dengan hole yang tertarik ke arah semikonduktor p. Apabila rangkaian kabel dihubungkan ke dua bagian semikonduktor, maka 11

8 elektron akan mengalir melalui kabel. Jika sebuah lampu kecil dihubungkan ke kabel, lampu tersebut menyala dikarenakan mendapat arus listrik, dimana arus listrik ini timbul akibat pergerakan elektron. Gambar 2.8 Kabel Dari Sambungan Semikonduktor Dihubungkan Ke Lampu Untuk mengetahui daya yang dihasilkan dari solar cell pada saat pengisian baterai langsung digunakan rumus : (2.2) Keterangan : P = daya (dalam watt,w) V = ggl (dalam volt, V) I = arus (dalam Ampere, A) [9] 12

9 2.1.3 Radiasi Harian Matahari pada Permukaan Bumi Konstanta radiasi matahari sebesar 1353 W/m2 dikurangi intensitasnya oleh penyerapan dan pemantulan oleh atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Ozon di atmosfer menyerap radiasi dengan panjang-gelombang pendek (ultraviolet) sedangkan karbon dioksida dan uap air menyerap sebagian radiasi dengan panjang gelombang yang lebih panjang (inframerah). Selain pengurangan radiasi bumi yang langsung atau sorotan oleh penyerapan tersebut, masih ada radiasi yang dipencarkan oleh molekul-molekul gas, debu, dan uap air dalam atmosfer sebelum mencapai bumi yang disebut sebagai radiasi sebaran. Gambar 2.9 Radiasi sorotan dan radiasi sebaran yang mengenai permukaan bumi Besarnya radiasi harian yang diterima permukaan bumi ditunjukkan pada grafik gambar Pada waktu pagi dan sore radiasi yang sampai permukaan bumi intensitasnya kecil. Hal ini disebabkan arah sinar matahari tidak tegak lurus dengan permukaan bumi (membentuk sudut tertentu) sehingga sinar matahari mengalami peristiwa difusi oleh atmosfer bumi. 13

10 Gambar 2.10 Grafik besar radiasi harian matahari yang mengenai pemukaan bumi Pengaruh Sudut Datang terhadap Radiasi yang diterima Besarnya radiasi yang diterima panel sel surya dipengaruhi oleh sudut datang (angle of incidence) yaitu sudut antara arah sinar datang dengan komponen tegak lurus bidang panel. Gambar 2.11 Arah sinar datang membentuk sudut terhadap normal bidang panel sel surya Panel akan mendapat radiasi matahari maksimum pada saat matahari tegak lurus dengan bidang panel. Pada saat arah matahari tidak tegak lurus dengan bidang panel atau membentuk sudut Ɵ seperti gambar 2.11 maka panel akan menerima radiasi lebih kecil dengan faktor cos Ɵ. 14

11 (2.3) Dimana : Ir = Radiasi yang diserap panel Ir0 = Radiasi yang mengenai panel = Sudut antara sinar datang dengan normal bidang panel Jenis Panel Surya Ada beberapa jenis panel surya yang dijual dipasaran : 1. Jenis pertama, yaitu jenis yang terbaik dan yang terbanyak digunakan masyarakat saat ini, adalah jenis monokristalin. Panel ini memiliki tingkat efisiensi antara 12 sampai 14%. Gambar 2.12 Panel Surya Monokristalin 2. Jenis kedua adalah jenis polikristalin atau multi kristalin, yang terbuat dari kristal silikon dengan tingkat efisiensi antara 10 sampai 12%. 15

12 Gambar 2.13 Panel Surya Polikristalin 3. Jenis ketiga adalah silikon jenis amorphous, yang berbentuk film tipis. Efisiensinya sekitar 4-6%. Panel surya jenis ini banyak dipakai di mainan anak-anak, jam dan kalkulator. Gambar 2.14 Panel Surya Silikon Amorphous 4. Jenis keempat adalah panel surya yang terbuat dari GaAs (Gallium Arsenide) yang lebih efisien pada temperatur tinggi. 16

13 Gambar 2.15 Panel Surya Gallium Arsenide 2.2 Light Dependent Resistor (LDR) LDR (Light Dependent Resistant) merupakan suatu jenis resistor yang nilai resistansinya berubah-ubah karena adanya intensitas cahaya yang diserap. LDR dibentuk dari Cadium Sulfide (CDS) yang mana Cadium Sulfide dihasilkan dari serbuk keramik. Prinsip kerja LDR ini pada saat mendapatkan cahaya maka tahanannya turun, sehingga pada saat LDR mendapatkan kuat cahaya terbesar maka tegangan yang dihasilkan adalah tertinggi. Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram pada LDR menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya redup LDR menjadi pengantar arus yang kurang baik, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup. Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang lepas dari bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan ada lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya terang LDR menjadi konduktor atau bisa disebut juga LDR memilki resistansi yang kecil pada saat cahaya terang. Simbol LDR seperti ditunjukan pada Gambar 2.16, sedangkan Gambar 2.17 menunjukkan grafik hubungan antara resistansi dan intensitas cahaya. 17

14 Gambar 2.16 Simbol LDR Gambar 2.17 Grafik hubungan antara resistansi dan intensitas cahaya LDR digunakan untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Saklar cahaya otomatis adalah salah satu contoh alat yang menggunakan LDR. Akan tetapi karena responsnya terhadap cahaya cukup lambat, LDR tidak digunakan pada situasi dimana intesitas cahaya berubah secara drastis. Gambar 2.18 LDR (Light Dependent Resistor) 18

15 2.3 Arduino Uno Pembuatan Arduino dimulai pada tahun 2005, oleh sebuah perusahaan komputer Olivetti di Ivrea, Pendiri dari Arduino itu sendiri adalah Massimo Banzi dan David Cuartielles. Pada awalnya mereka memberi nama proyek itu dengan sebutan Arduin dari Ivrea tetapi seiring dengan perkembangan zaman, maka nama proyek itu diubah menjadi Arduino yang berarti teman yang kuat atau dalam versi bahasa Inggrisnya dikenal dengan sebutan Hardwin. Mereka mengembangkan Arduino dengan bootloader dan software yang user friendly sehingga menghasilkan sebuah board mikrokontroler yang bersifat open source yang bisa dipelajari dan dikembangkan oleh mahasiswa, pelajar, professional, pemula, Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chipatau IC (integrated Circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, proses, dan output sebuah rangkaian elektronik. dan penggemar elektronika maupun robotik di seluruh dunia. Arduino hardware diprogram menggunakan bahasa Wiring berbasis (sintaks dan perpustakaan), mirip dengan C + + dengan beberapa penyederhanaan sedikit dan modifikasi, dan lingkungan pengembangan terpadu berbasis Processing. Komponen utama Arduino adalah mikrokontroler sehingga Arduino dapat diprogram menggunakan komputer sesuai dengan kebutuhan kita. Arduino adalah inovasi dibidang elektronika yang telah membuat perubahan besar dalam dunia mikrokontroler sehingga seorang yang awam amatiran bisa membuat proyek-proyek elektronika atau robotika dengan relative mudah dan cepat.arduino lahir dari lingkungan mahasiswa dan dosen yang merasakan sulitnya mempelajari mikrokontroler.kemudian mereka mengembangkan sebuah sistem minimum berbasis AVR yang dilengkapi dengan bootloader dan software yang user friendly. Hasilnya adalah sebuah board mikrokontroler yang bersifat open source yang bisa dipelajari atau dikembangkan oleh mahasiswa, professional, atau penggemar mikrokontroler di seluruh dunia. 19

16 Konon Arduino sudah lebih popular dibandingkan Basic Stamp yang lahir lebih awal yang harganya relatif mahal dan close source. Penjualan board Arduino bisa menghasilkan milyaran Rupiah pada penjualan kit online seperti Sparkfun. Gambar 2.19 Bentuk Fisik Arduino Uno Mikrokontroler ada pada perangkat elektronik di sekelililng kita. Misalnya Handphone, MP3 player, DVD, televisi, AC, dll. Mikrokontroler juga dipakai untuk keperluan mengendalikan robot. Karena komponen utama Arduino adalah mikrokontroler, maka Arduino pun dapat diprogram menggunakan komputer sesuai dengan kebutuhan. Adapun data teknis board Arduino UNO sebagai berikut : Mikrokontroler : Arduino UNO Tegangan Operasi : 5 V Tegangan Input (recommended) : 7-12 V Tegangan Input (limit) : 6-20 V Pin digital I/O : 14 ( 6 diantaranya pin PWM ) Pin analog input : 6 Arus DC per pin I/O : 40 ma Arus DC untuk pin 3.3 V : 150 ma Flash Memory : 32 KB dengan 0.5 KB digunakan untuk bootloader SRAM : 2 KB EEPROM : 1 KB Kecepatan Pewaktu : 16 MHz 20

17 2.3.1 Soket USB Soket USB berfungsi untuk mengirimkan program dari computer ke Arduino dan juga sebagai port komunikasi serial Input / Output Digital Input/output digital atau digital pin adalah pin-pin untuk menghubungkan Arduino dengan komponen atau rangkaian digital Input Analog Input Analog atau analog pin adalah pin-pin yang berfungsi untuk menerima sinyal dari komponen atau rangkaian analog. Misalnya dari potensiometer, sensor suhu, sensor cahaya, dsb Pemrograman Arduino Walaupun bahasa pemrograman Arduino adalah bahasa C/C++, tetapi dengan penambahan library dan fungsi-fungsi standar membuat pemrograman Arduino lebih mudah dipelajari dan manusiawi. Contoh, untuk mengirimkan nilai HIGH pada pin 10 Arduino, cukup menggunakan fungsi digitalwrite (10, HIGH), sedangkan kalau menggunakan bahasa C aslinya adalah PORTB I=(1<<2). Tersedia library yang sangat banyak untuk menghubungkan Arduino dengan macam-macam sensor, actuator maupun modul komunikasi. Misalnya library untuk mouse, keyboard, servo, GPS, dsb. Berhubung Arduino adalah open source, maka library- library ini juga open source dan dapat di-download secara gratis di website Arduino. Dengan bahasa yang lebih mudah dan adanya library dasar yang lengkap, maka mengembangkan aplikasi elektronik relatif lebih mudah. Contoh, kalau ingin membuat robot wireless, cukup membeli sebuah modul Bluetooth dan menyambungkan ke Arduino. Arduino tidak membuat bahasa pemrograman khusus, melainkan menggunakan bahasa C yang sudah ada, lebih tepatnya menggunakan bahasa C yang menggunakan compiler AVG GCC (AVR GNU C Compiler).Bahasa C adalah bahasa yang sangat lazim dipakai sejak awal-awal komputer diciptakan 21

18 dan sangat berperan dalam perkembangan software. Bahasa C telah banyak membuat bermacam-macam sistem operasi Unix, linux, dsb. Bahasa C juga biasanya digunakan di akademi dan perguruan tinggi selain bahasa pemrograman basic atau pascal.bahasa C adalah bahasa pemrograman yang sangat ampuh yang kekuatannya mendekati bahasa assembler. Bahasa C menghasilkan file kode objek yang sangat kecil dan dieksekusi dengan sangat cepat. Karena itu bahasa C sering digunakan pada sistem operasi dan pemrograman mikrokontroler. Bahasa C adalah multi-platform, bahasa C biasa diterapkan pada lingkungan windows, Unix, Linux, atau sistem operasi lain tanpa mengalami perubahan source code ( kalaupun ada perubahan, biasanya sangat minim). Karena Arduino menggunakan bahasa C yang multi-platform, maka software Ardunio pun bisa dijalankan pada semua sistem operasi yang umum, misalnya : Windows, Linux, MacOs. Bahasa C mudah dipelajari. Maksud kata mudah di sini adalah relatif, tergantung kemampuan dari tiap user. Kalau anda sudah mengerti bahasa C, anda dapat melakukan pengembangan dengan board lain atau mikrokontroler lain dengan lebih mudah. Diinternet banyak library bahasa C untuk Arduino yang bias di-download secara gratis. Setiap library Arduino biasanya disertai dengan contoh pemakaiannya. Keberadaan librarylibrary ini bukan hanya membantu membuat proyek mikrokontroler. Tetapi bias dijadikan sarana untuk mendalami pemrograman bahasa C pada mikrokontroler Aplikasi Program Arduino IDE ( Integrated Development Environment ) Ketika kita membuka program Arduino IDE ( Integrated Development Environment ), akan terlihat serupa dengan tampilan gambar 2.20 di bawah ini. Jika kita menggunakan Windows atau Linux, akan terlihat perbedaan, tetapi pada dasarnya IDE akan sama, tidak perduli Operasi sistem apa yang digunakan. 22

19 Gambar 2.20 Tampilan Program IDE Arduino Programming Tool Arduino merupakan perangkat pemrograman mikrokontroler jenis AVR yang tersedia secara bebas (open source) untuk membuat prototip elektronika yang dapat berinteraksi dengan keadaan sekitarnya. Arduino dapat menerima input dari berbagai jenis sensor dan mengendalikan sensor, servo, dan actuator lainnya. 23

20 Gambar 2.21 Tampilan Utama Aplikasi Arduino a. Toolbar Tombol-tombol toolbar memungkinkan Anda untuk memverifikasi dan meng-upload program, membuat, membuka, dan menyimpan sketsa, juga membuka monitor serial. Gambar 2.22 Toolbar Pada Aplikasi Arduino 24

21 Verify Tombol ini digunakan untuk meng-compile program yang telah dibuat. Compile berguna untuk mengetahui apakah program yang telah dibuat benar atau masih memilki kesalahan. Apabia ada kesalahan yang terjadi, bagian message akan menampilkan letak kesalahan tersebut. Stop Tombol ini digunakan untuk membatalkan proses verify yang sedang berlangsung. New Tombol ini digunakan untuk membuat coding pada layar baru Open Tombol ini digunakan untuk membuka coding yang sudah disimpan sebelumnya. Save Tombol ini digunakan untuk menyimpan coding yang sedang dikerjakan. Upload Tombol ini digunakan untuk mengirim coding yang sudah dikerjakan ke mikrokontroler. Serial Monitor Tombol ini digunakan untuk melihat aktivitas komunikasi serial dari mikrokontroler baik yang dikirm oleh user ke mikrokontroler maupun sebaliknya. b. Coding Area Bagian ini merupakan tempat penulisan coding dengan menggunakan Bahasa pemrograman C. Coding di dalam Arduino memiliki dua bagian utama, yaitu : 25

22 Void Setup ( ) Bagian ini merupakan inisialisasi yang diperlukan sebelum program utama dijalankan, contoh : void setup ( ) { Serial.begin (9600) ; // Inisialisasi baudrate komunikasi serial pinmode (6, INPUT) ; // set pin 6 Arduino sebagai input pinmode (7, OUTPUT) ; // set pin 7 Arduino sebagai output } Void Loop ( ) Bagian ini merupakan fungsi utama yang dijalankan terus menerus selama modul Arduino terhubung dengan power supply.contoh : void loop ( ) { digitalwrite (6, HIGH) ; // memberikan logic HIGH pada pin 6 delay (1000) ; // menunda selama 1 detik digitalwrite (6, LOW) ; // memberikan logic LOW pada pin 6 delay (2000) ; // menunda selama 2 detik c. Application Status Bagian ini memberikan informasi kepada pengguna mengenai tugas yang yang sedang dujalankan oleh aplikasi Arduino. d. Message Bagian ini memberikan informasi kepada pengguna mengenai besarnya ukuran file dari coding yang dibuat dan letak kesalahan yang terjadi pada coding. 26

23 2.3.7 Serial Port Serial digunakan untuk memprogram mikrokontroler langsung dari aplikasi Arduino. Selain itu, komunikasi serial juga digunakan untuk mengirim dan menerima data antara mikrokontroler dan komputer melalui fasilitas serial monitor yang terdapat pada aplikasi Arduino. Seperti gambar berikut ini : Gambar 2.23 Tools Serial Ports Berikut kegunaan pada Toolbar; a. Auto Format Memformat kode Anda dengan baik : yaitu indentasi dalam membuka dan menutup kurung kurawal, dan pernyataan di dalam kurung kurawal akan lebih menjorok. b. Archive Sketch Arsip salinan sketsa saat ini dalam format.zip. Arsip akan ditempatkan di direktori yang sama seperti sketsa. c. Board Pilih board yang Anda gunakan. 27

24 d. Serial Port Menu ini berisi semua perangkat serial (nyata atau virtual) pada e. Programmer Memilih programmer hardware yang akan digunakan untuk meng-upload kode program, sehingga Anda tidak menggunakan koneksi onboard USB serial. f. Burn Bootloader Item dalam menu ini memungkinkan Anda untuk mem-burning bootloader ke mikrokontroler pada papan Arduino. 2.4 Motor Servo Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo [10]. Motor servo merupakan salah satu jenis motor DC. Berbeda dengan motor stepper, motor servo beroperasi secara close loop. Poros motor dihubungkan dengan rangkaian kendali, sehingga jika putaran poros belum sampai pada posisi yang diperintahkan maka rangkaian kendali akan terus mengoreksi posisi hingga mencapai posisi yang diperintahkan. Motor servo banyak digunakan pada peranti R/C (remote control) seperti mobil, pesawat, helikopter, dan kapal, serta sebagai aktuator robot maupun penggerak pada kamera. Gambar 2.24 merupakan motor servo standar. 28

25 Gambar 2.24 Motor servo standar Hitec HS Prinsip Kerja Motor Servo Seperti namanya, servomotor adalah sebuah servo. Lebih khusus lagi adalah servo loop tertutup yang menggunakan umpan balik posisi untuk mengontrol gerakan dan posisi akhir. Masukan kontrolnya adalah beberapa sinyal, baik analog atau digital, yang mewakili posisi yang diperintahkan untuk poros output. Motor dipasangkan dengan beberapa jenis encoder untuk memberikan posisi dan kecepatan umpan balik. Dalam kasus yang paling sederhana, hanya posisi yang diukur. Posisi diukur dari output dibandingkan dengan posisi perintah, input eksternal ke controller. Jika posisi keluaran berbeda dari yang diperlukan, sinyal error yang dihasilkan yang kemudian menyebabkan motor berputar pada kedua arah, yang diperlukan untuk membawa poros output ke posisi yang sesuai. Sebagai pendekatan posisi, sinyal error tereduksi menjadi nol dan motor berhenti. Pada servomotor sangat sederhana hanya menggunakan posisi penginderaan melalui potensiometer dan bang-bang control motor mereka, motor selalu berputar pada kecepatan penuh (atau dihentikan). Jenis servomotor tidak banyak digunakan dalam kontrol gerak industri, tetapi mereka membentuk dasar dari servo yang sederhana dan murah yang digunakan untuk radio kontrol model. Servomotor lebih canggih mengukur baik posisi dan juga kecepatan poros output. Mereka juga dapat mengontrol kecepatan motor mereka, daripada selalu 29

26 berjalan dengan kecepatan penuh. Kedua perangkat tambahan, biasanya dalam kombinasi dengan algoritma kontrol PID, memungkinkan servomotor yang akan dibawa ke posisinya memerintahkan lebih cepat dan lebih tepat, dengan overshoot kurang Jenis-Jenis Motor Servo Motor Servo Standar Motor Servo Kontinu Gambar 2.25 Jenis-jenis motor servo a. Motor Servo Standar Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90 sehingga total defleksi sudut dari kanan tengah kiri adalah 180. b. Motor Servo Kontinu Motor servo kontinu merupakan motor servo yang bagian feedback-nya dilepas sehingga motor servo jenis ini mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) tanpa batasan defleksi sudut putar (dapat berputar secara kontinyu) Pengaturan Motor Servo Motor Servo akan bekerja secara baik jika pada bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50Hz. Di mana pada saat sinyal dengan frekuensi 50Hz tersebut dicapai pada kondisi Ton duty cycle 1.5 ms, maka rotor 30

27 dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah (sudut 0 / netral). Pada saat Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan kurang dari 1.5ms, maka rotor akan berputar ke arah kiri dengan membentuk sudut yang besarnya linier terhadap besarnya Ton duty cycle, dan akan bertahan diposisi tersebut. Dan sebaliknya, jika Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan lebih dari 1.5ms, maka rotor akan berputar ke arah kanan dengan membentuk sudut yang linier pula terhadap besarnya Ton duty cycle, dan bertahan diposisi tersebut Simulasi Motor Servo Rangkaian penghasil clock (PWM) Gambar 2.26 Rangkaian skematik penghasil clock (skematik Eagle) Proteus

28 Gambar 2.27 Rangkaian skematik penghasil clock (skematik Proteus) Yang mempengaruhi pwm adalah potensiometer Proteus 7.8 Rangkaian motor servo Proteus

29 Rangkaian pengendalian motor servo dengan pwm Proteus 7.8 Gambar 2.28 Rangkaian kontrol motor servo dengan PWM Proteus 7.8 R 0% 33

30 R 50% R 100% Gambar 2.29 Perubahan sudut karena perubahan PWM 2.5 Battery Charge Regulator (BCR) Battery Charger Regulator (BCR) adalah peralatan elektronik yang digunakan untuk mengatur arus searah yang diisi ke baterai dan diambil dari baterai ke beban. BCR mengatur overcharging dan kelebihan tegangan dari sel surya. Kelebihan tegangan dan pengisian akan mengurangi umur baterai. Sel surya 12 V umumnya mempunyai tegangan output V. Jadi, tanpa BCR, baterai akan rusak oleh overcharging dan ketidakstabilan tegangan. BCR yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah terisi penuh maka secara otomatis pengisian arus dari sel surya berhenti. BCR akan mengisi baterai sampai level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan drop, maka akan diisi kembali. 34

31 BCR terdiri dari 1 input (2 terminal), yang terhubung dengan output sel surya, 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan baterai dan 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan beban. Ada beberapa fungsi yang dimiliki oleh alat BCR ini, yaitu : Pertama, untuk mengatur proses transfer energi dari sel surya yang akan disimpan pada baterai secara efisien dan semaksimal mungkin serta membatasi dan menghentikan arus yang mengalir ke baterai apabila kondisi baterai tersebut dalam keadaan penuh sekaligus melakukan pemindahan hubungan dari baterai yang sudah penuh tersebut untu mencatu beban baik beban DC maupun AC, apabila untuk mencatu beban AC terlebih dahulu melalui alat bantu inverter sebagai pengkonversi tegangan DC ke AC terlebih dahulu, dengan kata lain berfungsi sebagai indikator proses pengisian maupun pengosongan baterai. Kedua, alat BCR ini juga dapat berfungsi sebagai proteksi baterai dari bahaya over charge maupun over discharge. Yang dimaksud dengan Over Charge adalah suatu kondisi di mana terjadi proses pemutusan pengisisan (charging) baterai pada tegangan batas atas dengan tujuan untuk menghindari gassing yang dapat menyebabkan penguapan air baterai dan korosi pada grid baterai sehingga dapat mengurangi life time dari baterai. Sedangkan Over Discharge ialah suatu kondisi di mana proses pemutusan pengosongan (discharging) baterai pada tegangan batas bawah untuk menghindari pembebanan berlebih yang dapat menyebabkan sulfasi baterai. Fungsi BCR yang lainnya adalah : 1. Membatasi daerah tegangan kerja baterai. 2. Menjaga atau memperpanjang umur baterai. 3. Mencegah beban berlebih terjadinya hubung singkat. 4. Sebagai pusat dari pengkabelan dan kontrol pemindahan (change over) otomatis antara sel surya, baterai dan juga beban. 5. Memberikan informasi kondisi sistem pada pemakaian (indikator). 35

32 2.6 Baterai Baterai pembangkit listrik tenaga matahari pada umumnya hanya aktif pada saat siang hari (pada saat sinar matahari ada). Sehingga untuk keperluan malam hari solar cell tidak dapat digunakan. Untuk mengatasi hal tersebut, maka energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari disimpan sebagai energi cadangan pada saat matahari tidak tampak. Untuk menyimpan energi tersebut dipakai suatu baterai sebagai penyimpanan muatan energi. Baterai digunakan untuk sistem pembangkit tenaga listrik matahari mempunyai fungsi yang ganda. Di suatu sisi baterai berfungsi sebagai penyimpanan energi, sedang disisi lain baterai harus dapat berfungsi sebagai satu daya dengan tegangan yang konstan untuk menyuplai beban. Menurut penggunaan baterai dapat diklasifikasikan menjadi: a. Baterai Primer Baterai primer hanya digunakan dalam pemakaian sekali saja. Pada waktu baterai dipakai, material dari salah satu elektroda menjadi larut dalam elektrolik dan tidak dapat dikembalikan dalam keadaan semula. b. Baterai Sekunder Baterai sekunder adalah baterai yang dapat digunakan kembali dan kembali dimuati. Pada waktu pengisian baterai elektroda dan elektrolik mengalami perubahan kimia, setelah baterai dipakai, elektroda dan elektrolit dapat dimuati kembali, kondisi semula setelah kekuatannya melemah yaitu dengan melewatkan arus dengan arah yang berlawanan dengan pada saat baterai digunakan. Pada saat dimuati energi listrik diubah dalam energi kimia. Jadi, dapat kita ketahui bahwa fungsi baterai pada rancangan pembangkit tenaga surya ini adalah untuk menyimpan energi yang dihasilkan solar cell pada siang hari, tujuannya adalah untuk menyimpan energi listrik cadangan ketika cuaca mendung atau hujan serta pada malam hari. Dengan demikian dapat bekerja sesuai dengan kebutuhan. Baterai yang digunakan adalah jenis asam timbal (baterai basah) yang dapat diisi ulang cairan kimia dan energi listrik. 36

33 2.6.1 Perhitungan Daya Tahan Baterai Intensitas arus listrik didefinisikan sebagai muatan listrik yang lewat per satuan waktu melalui suatu penampang daerah dimana muatan mengalir, seperti penampang tabung pemacu atau kawat logam [11]. Karena itu jika dalam waktu t, N partikel bermuatan yang masing-masing membawa muatan q, lewat melaui suatu penampang medium penghantar, maka muatan total yang lewat adalah Q = Nq; dan intensitas listriknya adalah :..... (2.4) Dimana: I = Kuat arus listrik dalam satuan ampere Q = muatan listrik dalam satuan coulomb t = Waktu dalam satuan detik Dari persamaan di atas, persamaan muatan listrik dapat diperoleh diperoleh yaitu: Q = I.t..... (2.5) Perhitungan daya tahan baterai dihitung dari persamaan :... (2.6) Dari persamaan tegangan diperoleh : V=I.R. (2.7).... (2.8) 37

34 2.7 Inverter Inverter merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC dengan frekuensi tertentu. Komponen semikonduktor daya yang digunakan dapat berupa SCR, transistor, dan MOSFET yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah. Inverter dapat diklasifikasikan dalam dua jenis, yaitu: inverter satu fasa dan inverter tiga fasa. Setiap jenis inverter tersebut dapat dikelompokan dalam empat kategori ditinjau dari jenis rangkaian komutasi pada SCR, yaitu: (1) modulasi lebar pulsa, (2) inverter resonansi, (3) inverter komutasi bantu, dan (4) inverter komutasi komplemen. Inverter disebut sebagai inverter catu-tegangan (voltage-fed inverter-vfi) apabila tegangan masukan selalu dijaga konstan, disebut inverter catu-arus (current-fed inverter-cfi) apabila arus masukan selalu dipelihara konstan, dan disebut inverter variabel (variable dc linked inverter) apabila tegangan masukan dapat diatur. Selanjutnya, jika ditinjau dari proses konversi, inverter dapat dibedakan dalam tiga jenis, yaitu inverter : seri, paralel, dan jembatan. Inverter jembatan dapat dibedakan menjadi inverter setengah-jembatan (half-bridge) dan jembatan (bridge). 38

35 2.7.1 Inverter Satu Fasa a. Inverter setengah jembatan satu fasa Gambar 2.30 Rangkaian Inverter Setengah-jembatan Satu Fasa 39

36 Gambar 2.30 merupakan rangkaian dasar inverter setengah-jembatan satu fasa dengan beban resistif dan bentuk gelombangnya. Dalam rangkaian Gambar 2.30 diperlukan dua buah kapasitor untuk menghasilkan titik N agar tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Sakelar S+ dan S- mereprensentasikan sakelar elektronis yang mencerminkan komponen semikonduktor daya sebagaimana diuraikan di muka. Sakelar S+ dan S- tidak boleh bekerja secara serempak/ simultan, karena akan terjadi hubung singkat rangkaian. Kondisi ON dan OFF dari sakelar S+ dan S- ditentukan dengan teknik modulasi, dalam hal ini menggunakan prinsip PWM. Prinsip PWM dalam rangkaian ini membandingkan antara sinyal modulasi Vc (dalam hal ini tegangan bolak-balik luaran yang diharapkan) dengan sinyal pembawa dengan bentuk gelombang gigi-gergaji (V ). Secara praktis, jika Vc > V maka sakelar S+ akan ON dan sakelar S- akan OFF, dan jika Vc < V maka sakelar S+ akan OFF dan sakelar S- akan ON. Untuk menghasilkan tegangan keluaran (Vo) satu fasa, terdapat tiga kondisi jika Sakelar S+ dan S- dioperasikan sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut: Tabel 2.1 Tegangan Output Inverter setengah jembatan satu fasa b. Inverter jembatan satu fasa Gambar 2.31 merupakan rangkaian dasar inverter jembatan satu-fasa dengan beban resistif dan bentuk gelombangnya. Seperti halnya pada rangkaian inverter setengah-jembatan di atas, dalam rangkaian ini diperlukan dua buah 40

37 kapasitor untuk menghasilkan titik N agar tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Terdapat dua sisi sakelar, yaitu: sakelar S1+ dan S1- serta S2+ dan S2-. Masing masing sisi sakelar ini, sakelar S1+ dan S1- dan atau S2+ dan S2-, tidak boleh bekerja secara serempak/ simultan, karena akan terjadi hubung singkat rangkaian. Kondisi ON dan OFF dari kedua sisi sakelar ditentukan dengan teknik modulasi, dalam hal ini menggunakan prinsip PWM, seperti jelaskan pada inverter setengah jembatan satu fasa di atas. Untuk menghasilkan tegangan luaran (Vo) satu fasa, terdapat lima kondisi jika sakelar S1+, S1-, S2+, dan S2- dioperasikan sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut: Tabel 2.2 Tegangan Output Inverter jembatan satu fasa 41

38 Gambar 2.31 Rangkaian Inverter Jembatan Satu Fasa Inverter jembatan tiga fasa Gambar 2.32 merupakan rangkaian dasar inverter jembatan tiga-fasa dengan beban resistif dan bentuk gelombangnya. Seperti halnya pada rangkaian inverter setengah-jembatan di atas, dalam rangkaian ini diperlukan dua buah kapasitor untuk menghasilkan titik N agar tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Terdapat tiga sisi sakelar, yaitu: sakelar S1+ dan S1- serta S2+ dan S2-. Kedua sisi sakelar ini, sakelar S1 dan S4, S3 dan S4, serta S5 dan S2. Masing masing sakelar, S1 dan S4, atau S3 dan S4, atau S5 dan S2, tidak boleh bekerja secara serempak/ simultan, karena akan terjadi hubung singkat 42

39 rangkaian. Kondisi ON dan OFF dari kedua sisi sakelar ditentukan dengan teknik modulasi, dalam hal ini menggunakan prinsip PWM, seperti jelaskan pada inverter setengah-jembatan satu fasa di atas. Gambar 2.32 Rangkaian Inverter Jembatan Tiga Fasa Untuk menghasilkan tegangan luaran (Vo) tiga fasa, terdapat delapan kondisi jika sakelar S1, S4, S3, S4, S5 dan S2 dan S4 dioperasikan sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut: Tabel 2.3 Tegangan Output Inverter jembatan tiga fasa 43