PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI- DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER) TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI- DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER) TUGAS AKHIR Disusun Oleh : SAMUDI NIM: JURUSAN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2015

2 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI- DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER) TUGAS AKHIR Diajukan kepada Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Akademik dalam Menyelesaikan Program Sarjana (S-1) Teknik Disusun Oleh : SAMUDI NIM: JURUSAN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2015 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 ABSTRAKSI Abstrak-Manajemen baterai dan beban pada proyek DC House ini mengatur charging dan discharging baterai.. Tugas akhir ini membahas perancangan dan pembuatan Rumah DC: Kontrol Manajemen Baterai Bi-directional (DC-DC Converter) menggunakan topologi buck dan boost konverter dengan menggunakan dua buat Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) untuk mengatur switching dari rangkaian buck dan boost konverter. Pengaturan charging dan discharging baterai dan beban menggunakan tiga buah relay dengan parameter sumber daya listrik, kapasitas baterai dan beban. Pengujian menggunakan implementasi buck dan boost konverter menggunakan mikronkontroller Atmega8535 dengan Pulse With Modulation (PWM) sebagai driver penyulutnya.tujuan dari tugas akhir ini adalah perancangan, pembuatan serta Memahami konsep perancangan dan aplikasi dari pembuatan system Battery Charge, yang sumbernya berasal dari input (MISO) sebagai sumber energy untuk pengisian accu yang diaplikasikan sebagai suplay energy untuk mensuplai beban 150 Watt. Kata kunci: Buck Boost Converter, battery and load management vi

7 ABSTRACT Abstract- Battery management and load on the DC House project is set charging and discharging of the battery.this thesis discusses the design and manufacturing of House DC: Battery Management Control Bi-directional (DC-DC Converter) using buck and boost converter topologies using two for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) to regulate the switching of the circuit buck and boost converter. Setting charging and discharging of the battery and the load uses three relays with the parameters of the power source, the battery capacity and load. Tests using implementations buck and boost converter using mikronkontroller Atmega8535 with Pulse With Modulation (PWM) as a drivers input.the aim of this thesis is the design, manufacture and understand the concept of the design and application of the manufacturing system Battery Charge, which is derived from the input source (MISO) as a source of energy for charging batteries which is applied as a supply of energy to supply the load 150 Watt. Keywords: Buck Boost Converter, battery and load management vii

8 KATA PENGANTAR Assalamualaikum Wr. Wb. Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah mencurahkan kasih dan sayang kepada hambanya sehingga tugas akhir yang berjudul PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI-DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER) dapat terselesaikan yang digunakan sebagai salah satu persyaratan untuk meraih gelar sarjana S-1. Banyak sekali pihak yang telah membantu penulis sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada: 1. Orang tua tercinta, yang senantiasa mendoakan dan mendukung secara materiil demi terselesaikannya tugas akhir ini. 2. Ibuk Ir. Nur Alif Mardiyah,MT., selaku Ketua Jurusan Elektro Universitas Muhammadiyah Malang, dan juga selaku dosen wali yang selama ini telah membimbing proses akademis hingga akhir jenjang kuliah. 3. Ermanu Azizul Hakim,Dr.Ir.MT, selaku dosen pembimbing I yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan penulis dengan sabar, dan selalu memberi semangat dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Ir. Nur Khasan,MT. selaku dosen pembimbing II yang telah meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan, dan selalu memberi semangat serta masukan dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 5. Seluruh dosen dan staf TU jurusan elektro UMM, terima kasih banyak atas bantuannya. 6. Saudara-saudara di rumah, mas Amin, Adikku Wiwit Jayanti terima kasih atas doa dan dukungannya. 7. Teman-teman seperjuangan elektro 2010, anak-anak Rumah Makan Nelongso, Cepet diselesaikan skripsinnya rek ndang kerjo!!! yang telah membantu dan mendukung terselesaikannya tugas akhir ini. 8. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu, terima kasih atas segala bantuan dan motivasinya. viii

9 Jika ada kesalahan dalam penulisan tugas akhir ini, penulis berharap saran dan kritik yang bersifat membangun guna kesempurnaan dari isi tugas akhir ini. Semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi penulis dan pembaca. Wassalamualaikum wr. wb. Malang, Oktober 2015 Penulis ix

10 DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL... i LEMBAR PERSETUJUAN... iii LEMBAR PENGESAHAN... iv SURAT PERNYATAAN KEASLIAN... v ABSTRAKSI... vi KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... x DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR TABEL... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Tujuan Perumusan Masalah Metodologi Studi literatur Perancangan Sistem Perancangan Perangkat Lunak Pembuatan dan Pengukuran atau Pengujian Perangkat Sistem Pengujian Sistem Analisa Sistem Konfigurasi Sistem Sistematika Penulisan Laporan... 5 BAB II DASAR TEORI 2.1 Proyek Rumah DC Baterai (Accumulator) Proses Charge Discharge dengan Arus Konstan Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan...9 x

11 2.3 Battery Charge Regulator (BCR) Prinsip Kerja Baterai Sensor Tegangan dan Arus Sensor Tegangan Sensor Arus DC-DC Converter Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisitor (MOSFET) Driver MOSFET Dasar Switching Converter Buck Converter Boost Converter Penentuan LC Filter Penentuan Nilai Induktansi L Penentuan Nilai Capasitansi C...31 BAB III RANCANGAN SISTEM 3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter Desain Buck Converter Rangkaian Buck Converter Desain Boost Converter Rangkaian Boost Converter Mikrokontroller ATMega Rangkaian Relay Pengatur Beban Rangkaian LCD Desain Sensor Tegangan Sensor Arus Rangkaian Charge Baterai Analisa Perhitungan Prinsip Kerja Charge Baterai Perhitungan Control Ampere Per-jam (Ah) xi

12 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Metode Pengujian Pengujian Buck Converter dan Driver Penyulutnya Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Buck Coverter Pengujian Rangkaian Charge Baterai Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Rangkaian Charge Pengujian Boost Converter Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Boost Converter Pengujian Sensor Tegangan Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Boost Converter Pengujian Relay Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Boost Converter xii

13 4.7 Pengujian Sensor Arus ACS Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Boost Converter Pengujian Integrasi Keseluruhan Tujuan Pengujian Alat Yang Dibutuhkan Gambar Rangkaian Prosedur Pengujian Hasil Pengujian Boost Converter BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Rangkaian Kontroller... 3 Gambar 1.2 Flowchart Tahap-tahap Pengerjaan Proyek Akhir... 4 Gambar 1.3 Perancangan Sitem... 5 Gambar 2.1 Diagram Blok Rumah DC... 7 Gambar 2.2 Proses Charge Dengan Arus Konstan... 9 Gambar 2.3 Proses Discharge Dengan Arus Konstan... 9 Gambar 2.4 Proses Charge Dengan Daya Konstan Gambar 2.5 Proses Discharge Dengan Daya Konstan Gambar 2.6 Proses Charge Dengan Arus Konstan dan Tegangan Konstan Gambar 2.7 Proses Discharge Dengan Resistansi Konstan Gambar 2.8 Blok Diagram Baterai Charge Gambar 2.9 Blok Diagram Baterai Discharge Gambar 2.10 Proses Pengosongan Baterai Gambar 2.11 Proses Pengisian Baterai Gambar 2.12 Rangkaian Tegangan dan Arus Gambar 2.13 Rangkaian Pembagi Tegangan Gambar 2.14 Sensor Arus ACS Gambar 2.15 DC-DC Converter Gambar 2.16 Rangkaian PWM Gambar 2.17 Gelombang Pulsa Keluaran PWM Gambar 2.18 Pulse Width Modulation (PWM) Gambar 2.19 Pulse Frekuensi Modulation (PFM) Gambar 2.20 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) Gambar 2.21 Simbol MOSFET Gambar 2.22 Driver MOSFET Gambar 2.23 Rangkaian Dasar Switching Converter Gambar 2.24 Tegangan Keluaran Gambar 2.25 Rangkaian Buck Converter Gambar 2.26 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi ON Gambar 2.27 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus pada Buck Converter xiv

15 Gambar 2.28 Rangkaian Boost Converter Gambar 2.29 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus pada Boost Converter Gambar 2.30 Arus Induktor Gambar 2.31 Tegangan Ripple Gambar 2.32 Arus Capasitor Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter Gambar 3.2 Rangkaian Buck Converter Gambar 3.3 Rangkaian Boost Converter Gambar 3.4 Rangkaian ATMega Gambar 3.5 Rangkaian Relay Pengatur Beban Gambar 3.6 Rangkaian LCD 16x Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Tegangan Gambar 3.8 Sensor arus ACS Gambar 3.9 Rangkaian Charge Baterai Gambar 4.1 Gelombang PWM Buck Converter Gambar 4.2 Diagram Blok Rangkaian Power Suplai Gambar 4.3 Hardware Buck Converter Gambar 4.4 Gelombang Output Buck Converter Gambar 4.5 Hasil Tampilan Buck Converter Gambar 4.6 Diagram Blok Rangkaian Charge Gambar 4.7 Accu pada Saat Mengisi Baterai Gambar 4.8 Gelombang PWM Boost Converter Gambar 4.9 Diagram Blok Rangkaian Boost Converter Gambar 4.10 Hardware Boost Converter Gambar 4.11 Gelombang Output Boost Converter Gambar 4.12 Hasil Tampilan Boost Converter Gambar 4.13 Diagram Blok Rangkaian Sensor Tegangan Gambar 4.14 Sensor Tegangan Gambar 4.15 Diagram Blok Relay Gambar 4.16 Pengujian Relay Gambar 4.17 Diagram Blok Rangkaian ACS Gambar 4.18 Pengujian Sensor Arus ACS xv

16 Gambar 4.19 Hasil Pengujian Sensor Arus ACS Gambar 4.20 Diagram Blok Seluruh Sistem Gambar 4.21 Integrasi Secara Keseluruhan xvi

17 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Tabel Kapasitansi Accu Tabel 2.2 Keterangabn Gambar Sensor Arus ACS Tabel 2.3 Jenis-jenis Toroid Tabel 3.1 Data Komponen Charge Baterai Tabel 4.1 Hasil Pengujuran pada Rangkaian Buck Converter Tabel 4.2 Data Pada saar Mengisi accu 12 Volt 9 Ah Tabel 4.3 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Boost Converter Tabel 4.4 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Sensor Tegangan Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Integrasi Keseluruhan xvii

18 DAFTAR PUSTAKA [1] J. Zhang, Bidirectional DC-DC Power Converter Design Optimization, Modeling and Control, Ph.D dissertation, Dept. Elect. Eng.,Virginia Polytechnic Institute and State Univ.,Blacksburg, VA, [2] Taufik. (2011). The DC House Project. [online]. Available: [3] J. K. Shiau, and C. J. Cheng, "Design of a non-inverting synchronous buckboost DC/DC power converter with moderate power level," Robotics and Computer Integrated Manufacturing, vol. 26, no. 3, pp , June [4] Perez, Richard, "Lead-acid Battery State of Charge vs.voltage ",1993. [5] Gaboriault, Mark, "A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DC- DC Converter " Allegro MicroSystems 115 Northeast Cutoff Worcester, MA USA [6] KAZIMIERCZUK, MARIAN K. "Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters," Wiley, Ohio, [7] Sasongko, Firman, teknik kendali Konverter DC-DC topologi baru mode boost. Laporan Tugas Akhir Institut Teknologi Bandung xviii