RANCANG BANGUN SUPLAI DAYA LISTRIK BEBAN PARSIAL 200 WATT MENGGUNAKAN AKUMULATOR DENGAN METODA SWITCHING LAPORAN TUGAS AKHIR Disusun Guna Memenuhi Persyaratan Untuk Menyelesaikan Program Diploma III Oleh : CHAIDIR HIJRUN ZULMI NIM. 1205031013 NIM. 1205031023 KHOMSATUN HASANAH NIM. 1205031027 NIM. 1205031037 MUHAMMAD YUSUF AMRIZHA PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN 2015
ABSTRAK Rancang Bangun Suplai Daya Listrik Beban Parsial 200 Watt menggunakan Akumulator Dengan Metoda Switching. Yang dalam hal ini memiliki tujuan sebagai cadangan energi listrik darurat yang dapat memberikan suplai daya listrik kepada konsumen secara otomatis saat PLN sedang memadamkan listrik. Dewasa ini sering terjadi pemadaman listrik di wilayah Sumatera Utara yang mana pemadaman itu berlangsung sekitar 4 jam dalam 1 hari. Oleh karena itu kami merancang dan membuat alat suplai daya listrik ini. Suplai daya listrik ini dibuat dengan menggunakan metoda switching, yang mana metoda switching ini berfungsi untuk mengubah energi yang satu ke bentuk energi yang lainnya dengan mengendalikan tegangan masuk dalam rangkaian elektronik dengan frekuensi tertentu. Hasilnya suplai daya lisrik ini lebih praktis dan lebih efisien dibanding dengan menggunakan trafo inti besi dan jenis lainnya. Alat ini dapat diimplementasikan sebagai cadangan listrik darurat di rumah atau bisa juga dibawa berpergian karena alat ini portable. Rancangan suplai daya listrik ini terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu akumulator, charger, inverter dan kontrol ATS (Auto Transfer Switch). Kata Kunci : Suplai Daya Listrik, Akumulator, Charger Otomatis, Inverter Switching iii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmat-nya penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan baik. Laporan tugas akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan Pendidikan Program Diploma 3 di Politeknik Negeri Medan. Adapun judul tugas akhir ini adalah : Rancang Bangun Suplai Daya Listrik Beban Parsial 200 Watt Menggunakan Akumulator Dengan Metoda Switching. Selama menyusun laporan tugas akhir ini, penulis banyak menemukan kendala yang sulit untuk diselesaikan. Namun, atas bantuan dari berbagai pihak, akhirnya kendala-kendala tersebut dapat diatasi. Atas bantuan dan bimbingan yang penulis terima selama pengerjaan laporan tugas akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., selaku Direktur Politeknik Negeri Medann. 2. Ir. Junaidi, M.T, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Ir.Gunoro, M.T., selaku Kepala Program Studi Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 4. Drs. Miduk Purba, M.Pd.Ph.D., selaku Dosen Pembimbing yang telah memberikan waktu, perhatian, petunjuk dan arahan serta membimbing penulis dengan sabar dalam pengerjaan tugas akhir ini hingga selesai. 5. Ir. Rafian Nauli Hasibuan, M.T, sebagai dosen wali kelas EL-6B yang telah banyak memotivasi penulis dalam penyusunan tugas akhir ini dan mengajari banyak hal sehingga penulis memperoleh banyak ilmu. 6. Seluruh dosen, staf dan pengajar Program Studi Teknik Listrik. 7. Buat Ayahanda dan Ibunda serta saudara kami yang tercinta yang telah memberi dukungan baik dalam semangat, nasihat, serta materi terlebih dalam dukungan doa sehingga kami dapat menyelesaikan pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan. iv
v 8. Teman teman penulis yang telah membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini. Akhir kata penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan ini. Semoga Allah SWT senantiasa memberikan rahmat serta hidayahnya kepada kita semua. Semoga laporan ini bermanfaat bagi siapapun yang membacanya. Selain itu kritik dan saran yang membangun juga diharapkan penulis sebagai modal awal dalam perbaikan dan pelajaran bagi penulis kedepannya. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang membacanya dan melihatnya. Aamiin. Medan, 31 Agustus 2015 Hormat kami, Penulis
DAFTAR ISI LEMBAR PERSETUJUAN... i LEMBAR PENGESAHAN... ii ABSTRAK... iii KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vi DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR LAMPIRAN... xiii BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan Pembuatan Proyek... 3 1.5. Manfaat Proyek... 3 1.6. Metode Pengumpulan Data... 3 1.7. Metode Pembahasan... 4 BAB 2 DASAR TEORI... 5 2.1. Akumulator... 5 2.1.1. Jenis Akumulator... 6 2.1.2. Prinsip Kerja Akumulator... 6 2.2. Transformator... 7 2.2.1. Trafo Inti Besi... 9 2.2.2. Trafo Inti Ferit... 10 2.3. Dioda... 11 2.4. LED... 12 vi
vii 2.5. Resistor... 13 2.6. Kapasitor... 15 2.6.1. Membaca Nilai Kapasitor... 16 2.6.2. Tegangan Kerja (Working Voltage)... 17 2.7. MOSFET... 17 2.8. Integrated Circuit (IC)... 18 2.8.1. IC Timer 555... 19 2.9. Relay... 21 2.10. Rangkaian Penyearah... 22 2.11. Rangkaian Charger Otomatis... 24 2.11.1. Cara Mengatur Trimpot Treshold dan Cutt-Off agar Otomatis... 25 2.12. Pulse Width Modulation... 26 2.13. Totem Pole Drive Circuit... 27 2.14. Rangkaian Inverter... 28 2.14.1. Half Bridge Inverter (Single Phase)... 30 2.14.2. Full Bridge Inverter (Single Phase)... 31 2.15. Amperemeter dan Voltmeter Digital... 34 2.15.1. Metode Pemasangan Kabel... 34 BAB 3 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN... 35 3.1. Perencanaan Rancang Bangun... 35 3.2. Perhitungan Komponen Utama... 36 3.2.1. Daya Keluaran yang Direncanakan... 36 3.2.2. Penentuan Kapasitas Baterai Akumulator... 36 3.2.3. Penentuan Arus Pengisian Baterai... 37 3.3. Perancangan Diagram Blok... 38 3.4. Perancangan Diagram Kontrol dan Konstruksi... 39
viii 3.5. Perancangan Layout PCB Rangkaian... 42 3.6. Deskripsi Kerja Alat... 43 3.6.1. Posisi Automatic Operation... 43 3.6.2. Posisi Manual Operation... 44 3.6.3. Posisi Off Operation... 44 3.6.4. Posisi PLN Source... 45 3.6.5. Posisi Battery Source... 45 3.7. Perancangan Flowchart Sistem... 46 3.8. Pembuatan Rancang Bangun... 47 BAB 4 PENGUJIAN DAN ANALISA... 48 4.1. Pengujian Sistem Kontrol Auto Transfer Switch... 49 4.2. Pengujian Charger Mengatur Otomatis On dan Off... 50 4.3. Pengujian Pengisian Baterai dengan Charger Otomatis... 51 4.4. Pengujian Kemampuan Baterai Melayani Beban... 52 4.4.1. Saat Beban 200 Watt (Full Load)... 53 4.4.2. Saat Beban 100 Watt... 53 4.4.3. Saat Beban 70 Watt... 54 4.4.4. Saat Beban 60 Watt... 55 4.4.5. Saat Beban 41 Watt... 56 4.5. Pengujian Daya Inverter... 58 4.6. Hasil Akhir Rancang Bangun... 59 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN... 61 5.1. Kesimpulan... 61 5.2. Saran... 61 DAFTAR PUSTAKA... 62 LAMPIRAN... 63
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Konstruksi Baterai Akumulator... 5 Gambar 2.2 Baterai Akumulator 12V 75Ah... 6 Gambar 2.3 Transformator Inti Besi... 9 Gambar 2.4 Transformator Inti Ferrite... 10 Gambar 2.5 Macam-macam Simbol Dioda... 11 Gambar 2.6 Konstruksi LED... 12 Gambar 2.7 Simbol dan Gambar Resistor... 14 Gambar 2.8 Menghitung Nilai Resistor dari Kode Warna... 15 Gambar 2.9 Simbol dan Konstruksi Kapasitor... 16 Gambar 2.10 Simbol Konstruksi MOSFET... 18 Gambar 2.11 Integrated Circuit (IC)... 19 Gambar 2.12 Blok Diagram IC Timer 555... 19 Gambar 2.13 Relay... 21 Gambar 2.14 Simbol Relay... 21 Gambar 2.15 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh... 22 Gambar 2.16 Gelombang Keluaran yang Disearahkan... 22 Gambar 2.17 Rangkaian Bridge Rectifier dengan Filter C... 23 Gambar 2.18 Gelombang Keluaran dengan Filter... 23 Gambar 2.19 Rangkaian Charger Otomatis menggunakan IC NE555... 24 Gambar 2.20 Contoh Blok Diagram PWM (Modulasi Lebar Pulsa)... 26 Gambar 2.21 Konsep Pembentukan Tegangan PWM... 27 Gambar 2.22 Totem Pole Drive Circuit... 28 Gambar 2.23 Inverter 1000 Watt... 28 ix
x Gambar 2.24 Single Phase Half Bridge Inverter... 30 Gambar 2.25 Single Phase Full Bridge Inverter... 31 Gambar 2.26 Bentuk Tegangan Keluaran Inverter Gelombang Kotak... 32 Gambar 2.27 Amperemer dan Voltmeter Digital 100V 10A DC... 34 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem... 38 Gambar 3.2 Diagram Blok Inverter Switching... 38 Gambar 3.3 Diagram Rancangan Kotak Acrylic dan Tata Letak... 39 Gambar 3.4 Diagram Kontrol Suplai Daya Listrik Beban Parsial Hal. 1... 40 Gambar 3.5 Diagram Kontrol Suplai Daya Listrik Beban Parsial Hal. 2... 41 Gambar 3.6 Layout PCB Rangkaian Charger Otomatis... 42 Gambar 3.7 Layout PCB Rangkaian Kontrol dan Terminal... 42 Gambar 3.8 Diagram Flowchart Sistem... 46 Gambar 3.9 Perancangan Rangkaian Kontrol... 47 Gambar 3.10 Pengawatan Rangkaian di dalam Kotak Acrylic... 47 Gambar 3.11 Hasil Akhir Pembuatan Alat... 47 Gambar 4.1 Pengujian Sistem Kontrol ATS dengan Mengamati Nyala Lampu... 49 Gambar 4.2 Pengujian Charger Otomatis On pada Tegangan Minimum... 50 Gambar 4.3 Pengujian Charger Otomatis Off pada Tegangan Maksimum... 50 Gambar 4.4 Rangkaian Charger Otomatis saat sedang Diuji... 51 Gambar 4.5 Diagram Pengawatan Pengisian Baterai dengan Charger Otomatis.. 52 Gambar 4.6 Diagram Pengawatan Suplai PLN melayani Beban... 52 Gambar 4.7 Diagram Pengawatan Suplai PLN melayani Beban... 52 Gambar 4.8 Pengujian Akumulator dengan Beban Lampu 100 Watt... 53 Gambar 4.9 Pengujian Akumulator dengan Beban Lampu 60 Watt... 55 Gambar 4.10 Pengujian Akumulator dengan Beban 41 Watt... 56
xi Gambar 4.12 Gambar Alat Secara Keseluruhan (Tampak Depan)... 59 Gambar 4.13 Gambar Alat Secara Keseluruhan (Tampak Belakang)... 59 Gambar 4.14 Pengawatan Rangkaian Secara Keseluruhan (Tampak Atas)... 60 Gambar 4.15 Komponen Panel Depan (kiri), Terminal Input PLN dan Beban (kanan)... 60
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Warna LED dan Tegangannya... 13 Tabel 2.2 Tabel Pemasangan Kabel Amperemeter Voltmeter... 34 Tabel 4.1 Pengisian Baterai Akumulator dengan Charger Otomatis... 51 Tabel 4.2 Data Pengujian dengan Beban 200 Watt... 53 Tabel 4.3 Data Pengujian dengan Beban 100 Watt... 54 Tabel 4.4 Data Pengujian dengan Beban 70 Watt... 54 Tabel 4.5 Data Pengujian dengan Beban 60 Watt... 55 Tabel 4.6 Data Pengujian dengan Beban 41 Watt... 56 Tabel 4.7 Kemampuan Daya Tahan Baterai Melayani Beban... 57 Tabel 4.8 Data Pengujian Efisiensi Daya Inverter... 58 xii
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1. Spesifikasi Amperemeter dan Voltmeter Digital... 63 Lampiran 2. Diagram Pengawatan Amperemeter dan Voltmeter Digital... 63 Lampiran 3. Spesifikasi Power Inverter Seri SDA-1000A... 64 Lampiran 4. Datasheet IC KIA7805... 69 Lampiran 5. Datasheet IC NE555N... 88 Lampiran 6. Datasheet Transistor TIP41C... 99 Lampiran 7. Datasheet Dioda 1N4007... 101 Lampiran 8. Foto Sidang Tugas Akhir... 103 xiii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Sumber daya listrik memiliki peran yang sangat penting di zaman teknologi seperti sekarang ini. Segala macam kecanggihan teknologi yang ada di dunia sangatlah bergantung terhadap penyediaan energi listrik yang ada baik itu daya besar maupun kecil. Akan tetapi di Indonesia PLN tidak pernah menjamin bahwa energi listrik akan selalu tetap kontinu setiap saat. Bisa saja sewaktu-waktu terjadi pemadaman listrik, entah karna adanya gangguan, ataupun memang karena faktor usia dari sistem pembangkit listrik PLN sendiri. Jika pemadaman listrik terlalu sering terjadi, tentu ini akan sangat mengganggu masyarakat. Oleh karna itu, dibutuhkan suatu cadangan energi listrik darurat yang dapat memberikan suplai daya listrik kepada konsumen secara otomatis saat PLN sedang memadamkan listrik. Ada banyak alternatif yang dapat digunakan, salah satunya adalah dengan menggunakan baterai Akumulator sebagai cadangan energi listrik. Penggunaan baterai Akumulator bisa dikatakan cukup sangat efektif untuk kalangan masyarakat menengah ke bawah. Yang dalam hal ini tidak membutuhkan suplai energi listrik dalam jumlah atau kapasitas daya yang besar. Misalnya seperti untuk kebutuhan instalasi penerangan rumah, penerangan saat camping atau kegiatan outdoor ataupun untuk keperluan konsumsi listrik lainnya seperti penggunaan komputer / laptop, printer, kipas angin dan televisi. Kelebihan lain dari penggunaan baterai Akumulator adalah dari segi kepraktisannya. Baterai Aki sangat mudah untuk dipakai dan konsumen tidak perlu terlalu sering untuk mengecek atau melakukan perawatan terhadap Akumulator ini., pengoperasian suplai listrik Akumulator dapat dilakukan secara otomatis. Baik untuk melakukan proses charging lalu menghentikannya disaat baterai Akumulator sudah terisi penuh dan sampai dengan proses mengubah tegangan 12 Vdc menjadi 220 Vac melalui 1
2 inverter sehingga dapat digunakan sebagai sumber cadangan listrik yang stabil dan kontinu. Dari permasalahan diatas, penulis terinspirasi untuk membuat suatu alat suplai daya listrik menggunakan baterai Akumulator yang sifatnya portable dan handal. Sehingga alat ini nantinya bisa digunakan tanpa harus terpasang (dapat dipindah-pindah) ataupun bisa juga dengan langsung terpasang pada sistem instalasi listrik konsumen. Serta dapat diandalkan, karena alat ini bisa digunakan untuk beban parsial yang mampu mensuplai energi listrik sebesar 200 Watt yang mampu beroperasi kontinu dan stabil maksimal selama 4 (empat) jam. Berdasarkan pengamatan penulis, durasi rata-rata PLN melakukan pemadaman listrik adalah selama 4 jam, sehingga dengan adanya alat ini diharapkan mampu membantu masyarakat disaat darurat atau sedang terjadi pemadaman listrik. Berangkat dari latar belakang diatas penulis ingin membuat tugas akhir yang berjudul : Rancang Bangun Suplai Daya Listrik Beban Parsial 200 Watt Menggunakan Akumulator Dengan Metoda Switching. 1.2. Rumusan Masalah Topik permasalahan yang dibahas dalam laporan ini adalah : 1.2.1. Bagaimana merancang dan membangun suplai daya listrik beban parsial 200 Watt menggunakan Akumulator dengan metoda switching. 1.3. Batasan Masalah Dalam perencanaan dan pembuatan proyek ini, terdapat beberapa batasan masalah sebagai berikut : 1.3.1. Penulis hanya membahas teori dasar dari beberapa komponen yang digunakan dalam pembuatan Tugas Akhir ini. 1.3.2. Penulis tidak merancang dan membuat rangkaian Inverter sendiri.
3 1.3.3. Penulis hanya membahas kemampuan dan waktu ketahanan dari baterai Akumulator 75 Ah untuk melayani beban parsial penerangan 200 Watt. 1.3.4. Penulis ingin merancang suplai daya listrik menggunakan baterai Akumulator yang diharapkan mampu mensuplai beban selama 4 jam. 1.4. Tujuan Pembuatan Proyek Adapun tujuan rancangan dan pembuatan proyek ini adalah : 1.4.1. Sebagai salah satu usaha dalam memberikan kontribusi solusi dari masalah kelistrikan dalam masyarakat. 1.4.2. Dapat dijadikan sebagai suatu keterampilan khusus dalam merancang dan membuat back up daya otomatis serta dapat pula dijadikan sebagai suatu bidang usaha. 1.4.3. Sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan perkuliahan jenjang Diploma III. 1.5. Manfaat Proyek Adapun manfaat dari proyek ini yaitu : 1.5.1. Menyediakan suplai daya listrik secara kontinu dan bisa dipakai dimana saja. 1.5.2. Menjadi sumber listrik alternatif dengan kapasitas maksimal 200 watt. 1.6. Metode Pengumpulan Data Untuk dapat menyelesaikan proposal tugas akhir ini maka penyusun kmenerapkan beberapa metode studi diantaranya : 1.6.1. Metode Pustaka yaitu dengan cara mencari buku-buku referensi di perpustakaan yang berhubungan dengan topik yang dibahas atau juga melalui internet. 1.6.2. Metode Bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing.
4 1.7. Metode Pembahasan Setelah dilakukan pembahasan dan pengumpulan data, maka dilakukan perancangan dan pengujian alat secara bertahap. Adapun tahapan yang dilakukan sebagai berikut : 1.7.1. Melakukan studi literatur untuk mempelejari dasar-dasar teori 1.7.2. Perancangan diagram blok sistem dan rangkaian. 1.7.3. Penentuan kapasitas beban parsial untuk penerangan. 1.7.4. Penentuan kapasitas baterai yang akan digunakan. 1.7.5. Penentuan kapasitas ampere transformator charger. 1.7.6. Pembuatan dan pengujian rangkaian charger otomatis. 1.7.7. Pembuatan rangkaian kontrol Auto Transfer Switch ( ATS ). 1.7.8. Pengujian inverter dengan beban. 1.7.9. Pembuatan casing alat menggunakan Acryllic. 1.7.10. Pengujian alat dengan variasi beban sampai indikator baterai low