BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1. Gambaran Umum Sistem Sistem ini terdiri dari 2 bagian besar, yaitu, sistem untuk bagian dari panel surya ke baterai dan sistem untuk bagian dari baterai ke lampu jalan. Blok diagram untuk sistem ini ditunjukkan pada gambar 3.1 berikut ini: Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Sistem Charge Controller Panel surya yang digunakan adalah panel surya yang diproduksi oleh PT. Swadaya Prima Utama. Panel surya ini dapat menghasilkan daya sampai dengan 52.717 W. Spesifikasi dari panel surya yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.2 berikut ini: 63
64 Gambar 3.2 Spesifikasi Panel Surya Topologi DC-DC converter yang digunakan adalah buck+boost converter, di mana DC-DC converter ini berfungsi untuk menaikkan (step-up) atau menurunkan (step-down) tegangan input yang diterimanya dari panel surya sesuai dengan tegangan dan arus yang dibutuhkan oleh baterai. Naik atau turunnya tegangan output dari converter ini diatur melalui duty cycle yang diberikan terhadapnya. Untuk menghasilkan daya yang maksimum dari panel surya, maka panel surya harus dioperasikan pada titik MPP seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.6. Dengan menggunakan salah satu algoritma MPPT, maka titik MPP ini akan tercapai. Penulis menggunakan algoritma
65 Perturb & Observe (P&O) (Faranda & Leva, 2008) untuk mendapatkan titik MPP ini. Algoritma P&O bekerja dengan cara membandingkan nilai daya yang didapatkan sekarang dengan nilai daya yang didapatkan sebelumnya. Daya yang diukur adalah daya input sehingga diperlukan sensing arus input dan tegangan input oleh kontroler. Dengan membandingkan nilai daya ini, maka nilai duty cycle dari converter akan diubah sedemikian rupa untuk mendapatkan titik MPP. Sensing tegangan output digunakan untuk mengetahui apakah baterai sudah terisi penuh atau belum. Sistem LED Driver Di antara baterai dan DC-DC Converter lampu jalan terdapat sebuah relay, di mana relay ini digunakan untuk memutuskan atau menyambungkan baterai dengan lampu jalan. Pemutusan atau penyambungan ini didasarkan kepada apakah hari sudah malam atau belum dan dilakukan oleh kontroler yang terdapat pada sistem charge controller (kontroler ini mendeteksinya dari tegangan dan arus diukurnya dari panel surya). Topologi DC-DC converter yang digunakan pada bagian ini adalah boost converter. Converter ini berfungsi untuk menaikkan (step-up) tegangan baterai menjadi tegangan yang lebih tinggi, di mana tegangan yang lebih tinggi ini digunakan untuk menyalakan lampu jalan. Tegangan output ini diatur berdasarkan duty cycle yang diberikan kepada converter. Penulis menggunakan LED sebagai lampu jalan (OSRAM, 2009). LED ini disusun menjadi 3 string yang masing-masing string-nya terdiri dari 5 buah LED dengan arus di tiap string-nya adalah 350 ma.
66 3.2. Perancangan Perangkat Keras 3.2.1. Perancangan DC-DC Converter untuk Charge Controller Pada bagian charge controller, DC-DC Converter yang digunakan adalah buck+boost converter. Buck+boost converter yang digunakan merupakan gabungan dari buck converter dengan boost converter. Perancangan Buck Converter Tegangan input dan tegangan output dari buck converter ini secara berturutturut adalah 15V sampai 21V dan 14V. Berikut ini merupakan cara penulis merancang buck converter yang mengacu kepada dasar teori pada BAB 2: Nilai kapasitor output yang dipilih sepuluh kali lebih besar dari perhitungan di atas sehingga:
67 Perhitungan di atas dilakukan dengan asumsi bahwa tegangan yang jatuh pada dan diode diabaikan. Dari perhitungan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai L, C dan frekuensi berturut-turut adalah,, dan 150 khz. Perancangan Boost Converter Tegangan input dan tegangan output dari boost converter ini secara berturutturut adalah 1V sampai 13V dan 14V. Untuk arus maksimum yang mungkin dihasilkan adalah 3.57 A. Berikut ini merupakan cara penulis merancang boost converter yang mengacu kepada dasar teori pada BAB 2:
68 Perhitungan di atas dilakukan dengan asumsi bahwa tegangan yang jatuh pada dan diode diabaikan. Dari perhitungan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai L, C dan frekuensi berturut-turut adalah, 100uF dan 150 khz. Berikut ini merupakan skematik dari buck+boost converter yang telah dirancang berdasarkan perhitungan di atas: Gambar 3.3 Rangkaian Buck+boost Converter untuk Charge Controller Modul IR2184 MOSFET Gate Driver:
69 Gambar 3.4 Rangkaian MOSFET Driver untuk Charge Controller Penjelasan IC MAX4378 Penulis menggunakan IC MAX4378 sebagai IC sense arus pada input dan output converter. Cara kerja dari IC ini seperti yang sudah dijelaskan pada BAB 2. Output dari IC ini berupa tegangan yang dihubungkan dengan pin ADC kontroler. Arus output yang di-sense adalah arus yang mengalir ke baterai setelah arus tersebut dikurangi dengan arus yang mengalir ke rangkaian internal lainnya, seperti, IR2184, MAX4378, dan kontroler. Jadi, nantinya daya output total yang didapatkan adalah daya dari keseluruhan sistem. Berikut ini merupakan skematik dari MAX4378:
70 Gambar 3.5 Rangkaian MAX4378 Current Sense 3.2.2. Perancangan DC-DC Converter untuk LED Driver Pada bagian LED driver, DC-DC converter yang digunakan adalah boost converter. Tegangan input dan tegangan output dari boost converter ini secara berturut-turut adalah 11V sampai 14V dan 16V. Untuk arus output yang dihasilkan adalah 1.05 A. Berikut ini merupakan cara penulis merancang boost converter yang mengacu kepada dasar teori pada BAB 2:
71 Perhitungan di atas dilakukan dengan asumsi bahwa tegangan yang jatuh pada dan diode diabaikan. Dari perhitungan di atas, dapat disimpulkan bahwa nilai L, C dan frekuensi berturut-turut adalah, 330uF dan 150 khz Berikut ini merupakan skematik dari boost converter yang telah dirancang berdasarkan perhitungan di atas: Gambar 3.6 Rangkaian Boost Converter untuk LED Driver Input pada boost converter ini didapat melalui Power_1 ke induktor. Sedangkan OUT_DRIVER terhubung ke output dari MOSFET driver (IR2184) bagian output low-side-nya. Sedangkan output boost converter-nya
BOOST_OUT yang terhubung ke lampu. Berikut skematik dari MOSFET driver yang digunakan untuk boost converter baterai ke LED: 72 Gambar 3.7 Rangkaian MOSFET Driver untuk LED Driver MOSFET Driver diatas input-nya diambil dari PWM dimana terhubung ke pin kontroler. Sedangkan output low-side nya terhubung ke gate dari MOSFET. 3.2.3. Perancangan Modul Kontroler untuk Charge Controller Perancangan Modul Kontroler Berikut skematik dari modul kontroler yang digunakan pada buck+boost converter : Gambar 3.8 Rangkaian Kontroler untuk Charge Controller
73 Pada kontroler di atas, pin PA4 sampai dengan PA7 digunakan untuk ADC (ADC3 ADC6) tegangan, arus input dan juga tegangan, arus output). Kemudian Pin PA0-PA3 digunakan untuk jalur data ke LCD. Pin PB1 dan PB3 digunakan untuk menghasilkan PWM yang akan terhubung ke buck boost converter. Pin PB0 dan PB2 terhubung ke LCD dimana PB0 digunakan sebagai enable dan PB2 digunakan sebagai RS. ATTiny461 diatas menggunakan sumber clock (XTAL) eksternal yang terhubung ke PB4 dan PB5. PB6 akan terhubung relay. Pin PB7 dihubungkan ke push button sebagai tombol reset. P3 (header 10 pin) untuk penghubung ke LCD. Resistor Sensing Untuk sense tegangan maka digunakan pembagi tegangan. Berikut skematik dari pembagi tegangan untuk sense tegangan: Gambar 3.9 Rangkaian Resistor Sense untuk Charge Controller Resistor R2 dan R4 digunakan pembagi tegangan untuk sense Vin, dimana akan dihubungkan ke PA5. Nilai resistor ditentukan dengan asumsi bahwa Tegangan input maksimal adalah 25 V maka tegangan yang jatuh di R4 maksimal adalah 5V. Sedangkan resistor R3 dan R5 digunakan untuk sense
74 tegangan output. Sama halnya dengan nilai resistor pada Vin, nilai resistor pada Vout di-design, sehinga nilai yang jatuh pada R5 tidak melebihi 5V. Sedangakan Pin ADC untuk arus input dan output (PB2 dan PB4) terhubung langsung dengan IC sense current yang ada pada buck+boost converter. Relay Relay digunakan untuk mengatur nyalanya boost converter dengan memutuskan atau menyambung jalur baterai ke boost converter. Berikut skematik dari relay: Gambar 3.10 Rangkaian Relay Input untuk mengatur relay akan terhubung ke RELAY atau terhubung ke pin PB6. Sedangkan untuk menghubungkan output relay ke boost converter menggunakan terminal block (H3). 3.2.4. Perancangan Modul LED Driver Perancangan Modul Kontroler Berikut skematik dari modul kontroler yang digunakan pada boost controller:
75 Gambar 3.11 Rangkaian Kontroler untuk LED Driver Kontroler pada modul LED driver, hanya membutuhkan input berupa arus pada satu string. Untuk sense arus pada satu string, maka ADC digunakan untuk sense tersebut adalah mode differential yaitu pin PA0 dan PA1. Cara pengukuran arus dengan menggunakan metode low-side, sehingga PA0 akan dihubungkan resistor sense, sedangkan PA1 dihubungkan ke ground. PA2 dan PA3 digunakan untuk LCD, yaitu sebagai enable dan RS. PA4 sampai dengan PA7 digunakan sebagai pin data ke LCD. Pin PB3 digunakan untuk menghasilkan PWM yang akan dihubungkan ke input MOSFET driver boost controller. Kemudian PB4 dan PB5 digunakan sebagai input XTAL. Dan PB6 dan PB7 masing masing terhubung ke push button. Resistor Sense Berikut skematik dari Resitor sense yang digunakan.
76 Gambar 3.12 Rangkaian Resistor Sense untuk LED Driver Nilai resistor yang digunakan adalah 1 ohm. Dan untuk tiap string dihubungkan ke dua buah resistor yang saling di-paralel-kan. 3.2.5. Perancangan Step-Up Regulator LM2577 LM2577 merupakan IC step-up regulator yang dalam hal ini digunakan untuk menghasilkan tegangan output sebesar 24 V. Tegangan output dari regulator ini akan dihubungkan pada kaki V B dan VCC IC MOSFET driver IR2184 yang men-drive MOSFET high-side. Mengapa penulis tidak menggunakan baterai sebagai sumber tegangan V B dan VCC IC MOSFET driver IR2184? Hal ini dikarenakan IC MOSFET driver IR2184 membutuhkan tegangan minimal sebesar 10 V diantara kaki V B dan V S, di mana kaki V B dihubungkan dengan output dari LM2577 dan kaki V S dihubungkan dengan induktor yang tegangannya sama dengan tegangan dari baterai sehingga perbedaan tegangan minimal yang terdapat pada pin V B dan V S ketika kondisi baterai full (sekitar 14 V) adalah 24 V - 14 V = 10 V dan tegangan minimal V B - V S masih terpenuhi. Berikut ini merupakan rangkaian dari LM2577 yang penulis gunakan:
77 Gambar 3.13 Rangkaian LM2577 Step-Up Regulator 3.3. Perancangan Perangkat Lunak 3.3.1 Perancangan Modul Kontroler untuk Buck+Boost Converter Di bawah ini adalah flowchart program yang dipergunakan untuk mengendalikan buck+boost converter: Gambar 3.14 Flowchart Kontroler untuk Charge Controller
78 Untuk mengupdate duty cycle ke pin output dari kontroler, dibutuhkan sebuah mekanisme khusus karena nilai dari duty cycle yang hendak diisi adalah 10bit sedangkan OCR yang digunakan sebagai pembanding, hanya berkapasitas sebesar 8bit. Variabel D digunakan sebagai penyimpan untuk nilai duty cycle. Nilai D baru akan di-update dan dikeluarkan melalui pin output dari AVR ketika proses Update Duty Cycle terjadi di mana terjadi mekanisme pengisian nilai OCR 10bit menggunakan bantuan register TC1H. Cara pengisian OCR 10bit dapat dilihat pada datasheet. Proses Delay dilakukan agar komponen-komponen analog pada rangkaian dapat merespon nilai duty cycle yang baru diterapkan. Setelah proses delay dilakukan, baru kita mengambil data ADC, antara lain tegangan dan arus dari panel surya (Vin dan Iin dari DC-DC converter), serta tegangan dan arus baterai (Vout dan Iout dari DC- DC converter). Pada bagian inisialisasi terdapat pengesetan nilai awal untuk duty cycle sehingga proses delay dibutuhkan setelah inisialisasi dilakukan. Setelah itu, penentuan mode Buck atau mode Boost dilakukan. Flowchart dari penentuan mode ini dijelaskan pada bagian 3.3.2. Setelah itu, algoritma untuk charging baterai dilakukan. Proses charging baterai dibuat berdasarkan 3 fase charging baterai yang telah dijelaskan pada bagian dasar teori. Pada bagian inilah algoritma MPPT diimplementasikan. Flowchart dari algoritma charging baterai dan algoritma MPPT ini berturut-turut dijelaskan pada bagian 3.3.3 dan 3.3.4. Algoritma MPPT dipergunakan untuk menentukan arah dari maximum power. Penambahan atau pengurangan duty cycle terjadi setelah algoritma charging baterai ini dilakukan.
79 3.3.2 Update Buck+boost Mode Di bawah ini adalah flowchart dari algoritma untuk menentukan mode buck atau mode boost: Gambar 3.15 Flowchart Update Mode Buck+boost Dari algoritma diatas, dapat kita lihat bahwa penentuan dilakukan menggunakan parameter Vin dan Vout. Bila Vout lebih kecil dibandingkan Vin, maka mode yang disimpan dalam variabel bb harus diubah menjadi mode buck. Bila mode bb sekarang adalah boost dan seharusnya buck, maka pengubahan nilai bb akan dilakukan setelah itu setting PWM dari register-register yang bersangkutan dilakukan. Bila bb sudah buck (atau bukan boost), maka program akan langsung keluar. Demikian pula yang terjadi ketika Vout lebih besar dari Vin. Bila hasil sensing menyatakan bahwa Vout sama dengan Vin, maka mode tidak diubah. 3.3.3 Charging Baterai Di bawah ini adalah flowchart dari algoritma untuk charging baterai:
80 Gambar 3.16 Flowchart Charging Baterai Pada bagian dasar teori telah dijelaskan tentang cara mengisi baterai, yaitu adanya 3 fase atau state of charge. Fase pertama yang disebut juga fase trickle harus dilakukan ketika tegangan baterai dibawah 11V. Pada fase ini, arus charging baterai maksimal adalah 0,5A. Algoritma MPPT digunakan bila arus yang masuk ke baterai di bawah 0,5A. Fase kedua yang disebut juga fase bulk dilakukan ketika tegangan baterai berada diantara 11V dan 13,8V. Pada fase bulk, diharapkan daya dari panel surya ditransfer secara maksimal ke baterai menggunakan algoritma MPPT Perturb and Observe. Fase yang terakhir adalah fase floating dimana tegangan baterai dijaga tetap konstan. 3.3.4 MPPT Algorithm Di bawah ini adalah flowchart dari algoritma MPPT yaitu Perturb and Observe:
81 Gambar 3.17 Flowchart MPPT Perturb and Observe (P&O) Algoritma MPPT ini digunakan untuk menentukan arah (direction) dari duty cycle mengikuti kurva karakteristik dari panel surya (daya maksimum yang hendak dicari adalah daya maksimum dari panel surya). Grafik panel surya dapat dilihat pada gambar 2.6. Ketika DC-DC converter sedang berada pada bagian kiri dari grafik panel surya, maka direction akan diarahkan ke kanan (direction sama dengan R ). Penambahan duty cycle akan menyebabkan daya input yang didapat akan menjadi lebih besar dibandingkan daya input yang sebelumnya sehingga direction tidak diubah. Bila penambahan duty cycle terjadi ketika nilai duty cycle telah berada pada MPP, maka daya input turun sehingga Pin < last_pin menjadi terpenuhi. Ketika penurunan daya terdeteksi, maka direction akan diubah dari fungsi toggle. Ketika toggle, maka daya input akan kembali lebih besar dibandingkan dengan daya input sebelumnya. Suatu ketika bila duty cycle terus diturunkan, maka Pin < last_pin akan terpenuhi sehingga toggle direction akan kembali dilakukan. Hasil dari algoritma MPPT Perturb and Observe akan menghasilkan duty cycle yang berosilasi di sekitar daerah MPP. 3.3.5 Toggle Direction Di bawah ini adalah flowchart dari toggle direction:
82 Gambar 3.18 Flowchart Toggle Direction Toggle direction dipergunakan untuk mengubah direction R menjadi L dan sebaliknya. Karena fungsi ini sering dipergunakan, maka penjelasan dibagi menjadi bagian tersendiri. Ketika direction sekarang adalah R, maka direction akan diganti menjadi L kemudian program akan selesai. Namun bila direction tidak sama dengan R, maka direction akan dimasukkan dengan nilai R. Karena nilai direction hanya L dan R, maka program tidak perlu mengecek apakah direction sekarang bernilai L atau tidak. 3.3.6 Update Duty Cycle Di bawah ini adalah flowchart dari update duty cycle:
83 Gambar 3.19 Flowchart Update Duty Cycle Perubahan nilai duty cycle dilakukan setelah kontroler menentukan arah pergerakan yang diputuskan oleh algoritma charging baterai. Rangkaian buck dan boost menggunakan IC MOSFET driver IR2184 yang dapat driving MOSFET high-side dan low-side yang saling berkebalikan fase. Rangkaian DC-DC converter yang dipergunakan membutuhkan 2 buah IC MOSFET driver IR2184. Jika driver low-side diberikan logic input low, maka output dari driver yang akan masuk ke gate MOSFET akan bernilai high, dan sebaliknya. Karena itu, penentuan naiknya atau turunnya duty cycle saling berbeda antara mode buck dan mode boost. Ketika mode buck, jika direction bernilai R (pergerakan ke arah kanan kurva panel surya), maka duty cycle dari kontroler harus ditambah karena high-side output dari MOSFET driver sefase dengan output PWM dari kontroler. Demikian sebaliknya bila direction bernilai L (pergerakan ke arah kiri kurva panel surya). Ketika mode boost, jika direction bernilai R maka duty cycle harus dikurangi karena low-side
output dari MOSFET driver berbeda fase 180 dari output PWM yang dikeluarkan oleh kontroler. Demikian sebaliknya bila direction bernilai L. 84 Sebelum penambahan atau pengurangan duty cycle, dilakukan pengecekan terhadap nilai maksimum dan minimum dari duty cycle supaya nilai variabel D tidak melebihi batas 0% sampai 100% duty cycle. Bila nilai D sudah mencapai maksimum dan algoritma MPPT meminta untuk menambah nilai duty cycle, maka fungsi toggle dipanggil. Fungsi ini akan membalik nilai direction sehingga duty cycle tidak melebihi batas dan juga tidak mempengaruhi kinerja dari algoritma MPPT. Demikian pula ketika nilai D sudah mencapai minimum. 3.3.7 Perancangan Modul LED Driver Di bawah ini adalah flowchart program yang dipergunakan untuk mengendalikan boost converter: Gambar 3.20 Flowchart LED Driver
85 Rangkaian LED driver digunakan untuk menjaga arus yang mengalir pada LED tetap konstan karena LED membutuhkan arus yang konstan agar terangnya tetap konstan. Arus sense atau Isense dihubungkan ke satu dari 3 string LED yang kami pergunakan dimana masing-masing string akan dialiri arus konstan 350mA ketika malam hari dan 0mA atau mati pada siang hari. Pada siang hari, charge controller akan memutuskan hubungan dari baterai ke input rangkaian Boost sehingga tidak ada supply daya input dari baterai yang dapat mengalir ke lampu jalan. Ketika keadaan ini terjadi, pastilah arus yang dideteksi oleh kontroler LED driver dibawah 100mA sehingga kontroler LED driver dapat mengetahui kalau keadaan sedang siang, karena itu, nilai duty cycle akan direset ke suatu nilai default yang telah kami tentukan supaya rangkaian dapat mengantisipasi bila sewaktu-waktu kontroler charge controller memberikan daya input ke rangkaian Boost. Pada malam hari, charge controller akan langsung memberikan daya input dari baterai ke rangkaian Boost yang berada di bawah kendali LED driver. Nilai duty cycle default yang telah di-setting pada LED driver telah diatur sehingga arus yang tiba-tiba mengalir ke LED tidak sangat besar sehingga dapat merusak LED dan tidak sangat kecil sehingga tidak dapat dideteksi. Karena itu, ketika charge controller memberikan supply daya input dari baterai ke rangkaian Boost antara baterai dan lampu jalan, LED driver akan dapat langsung menaikkan dan menurunkan duty cycle sehingga arus output yang mengalir ke lampu jalan stabil di 350mA yang merupakan kondisi yang diinginkan. Arus pada lampu jalan tidak akan dapat tepat 350mA. Karena itu, untuk menghindari adanya osilasi pada duty cycle tertentu dan menyebabkan lampu jalan sedikit
86 berkedip-kedip, kami berikan threshold sebesar 10mA. Adanya threshold ini akan menyebabkan arus yang mengalir di lampu jalan minimal 340mA dan maksimal 360mA. 3.4. Rancang bangun Berikut ini merupakan penampakan fisik dari modul charge controller, modul LED driver, dan susunan LED pada lampu jalan. Gambar 3.21 Tampak Depan Box Charge Controller Gambar 3.22 Tampak Belakang Box Charge Controller
87 Gambar 3.23 Tampak Atas Modul LED Driver Gambar 3.24 Susunan LED Pada Lampu Jalan