RANCANG BANGUN CATU DAYA BERKAPASITAS 180W DENGAN METODE SWITCHING LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan Untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan Dalam Menyelesaikan Program Pendidikan Diploma III Oleh : ADI SWANTO SIAHAAN IIN KUMALA SARI NIM : 1105032047 NIM : 1105032069 IRVAN RIYANDO D. ZULKARNAIN M. B. NIM : 1105032071 NIM : 1105032097 PROGRAM STUDI TEKNIK LISTRIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN 2014
ABSTRAK Tugas akhir ini membahas Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching. Yang mana catu daya switching ini berfungsi untuk mengubah energy yang satu ke bentuk energy yang lainnya dengan mengendalikan tegangan yang masuk dalam rangkaian elektronik dengan frekuensi tertentu. Dewasa ini selalu terjadi pemadaman listrik di wilayah sumatera utara yang mana pemadaman itu berlangsung sekitar 3-4 jam dalam 1 hari. Oleh karena itu kami merancang dan membuat catu daya switching ini. Agar dapat memberikan catu daya ke beban, meski dalam keadaan pemadaman listrik maka dibutuhkan baterai sebagai energi cadangan untuk mensupply daya. Sehingga ketika terjadi pemadaman listrik, tidak akan mengganggu aktivitas pengguna listrik. Meskipun jenis catu daya ada banyak, tetapi catu daya jenis switching ini lebih ringan, lebih efisien, serta lebih tahan panas dibandingkan jenis yang lainnya. Untuk mendapatkan proses switching ini, maka tegangan yang masuk harus dikendalikan dengan frekuensi yang berbeda baik dalam proses pengisian maupun pengosongan baterai dengan menggunakan penyearah dan penguat. Oleh karena itu, catu daya ini terdiri dari charger, baterai dan inverter. Kata Kunci : Catu Daya dan Switching
KATA PENGANTAR Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas rahmat, karunia serta tuntunannya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan baik. Laporan Tugas Akhir ini merupakan persyaratan bagi mahasiswa Politeknik Negeri Medan, jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Listrik, untuk dapat menyelesaikan pendidikan Diploma III di Politeknik Negeri Medan. Laporan ini berjudul Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching. Dalam penulisan laporan ini, penulis banyak menemukan kesulitan serta kendala. Namun berkat bantuan dari berbagai pihak, akhirnya laporan ini dapat diselesaikan. Dalam menyelesaikan laporan ini tidak lupa penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak M.Syahruddin, ST., MT, selaku direktur Politeknik Negeri Medan 2. Bapak Junaidi, ST., MT, selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 3. Bapak Ir.Gunoro, MT, selaku Kepala Program Studi Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan. 4. Bapak Nobert Sitorus, ST., MT, selaku Kepala Bengkel Program Studi Teknik Listrik Politeknik Negeri Medan. 5. Ibu. Ir.Juli Iriani, selaku kepala laboratorium Politeknik Negeri Medan. 6. Bapak Suparmono, ST., MT, selaku Dosen pembimbing yang telah memberikan masukan-masukan dan membantu hingga terselesainya Tugas Akhir ini dengan baik.
7. Bapak Drs.Masrul, MT, selaku dosen wali kelas EL 6C yang telah memberikan masukan dan nasehat kepada penulis. 8. Orang tua penulis yang tercinta yang telah memberikan bantuan berupa moril dan spiritual. 9. Seluruh dosen dan staf di Politeknik Negeri Medan khususnya jurusan Teknik Elektro yang telah memberikan masukan dan nasehat kepada penulis selama pengerjaan Tugas Akhir dan teman- teman kami seangkatan di teknik listrik EL-6A, EL-6B, EL-6C, EL-6D, EL-6E yang telah memberikan kami semangat. Semoga semua bimbingan, dorongan dan bantuan yang telah diberikan kepada penulis mendapat imbalan dari Tuhan Yang Maha Esa. Penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan bagi semua pihak pada umumnya. Medan, 11 September 2014 Penulis
DAFTAR ISI ABSTRAK t.... i KATA PENGANTAR... ii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR LAMPIRAN... x BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang Masalah... 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan Pembuatan Tugas Akhir... 3 1.5. Manfaat Tugas Akhir... 3 1.6. Metode Pengumpulan Data... 3 1.7. Sistematika Penulisan... 3 BAB 2 LANDASAN TEORI... 5 2.1. Catu Daya... 5 2.1.1. Baterai... 5 2.1.1.1. Proses Kerja Baterai... 6 2.1.1.2. Jenis-Jenis Baterai... 8 2.1.2. Charger... 9 2.1.2.1. Macam-macam Charger... 9 2.1.3. Inverter... 12 2.1.3.1. Jenis Inverter... 13 2.1.3.2. Prinsip Kerja Inverter... 14 2.2. Switching... 16 2.2.1. Trafo Inti Ferit... 17 2.2.1.1. Prinsip Kerja Transformator... 19 2.2.2. Transistor Daya (MOSFET)... 21 2.2.3. Penyearah (Rectifier)... 27
BAB 3 2.2.3.1. Jenis Penyearah... 27 2.2.4. Mikrokontroller ATMega8... 35 2.2.4.1. Fungsi dan Kebutuhan Pin... 36 2.2.4.2. Alasan-alasan Menggunakan Bahasa C... 37 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN CATU DAYA BERKAPASITAS 180W DENGAN METODE SWITCHING... 39 3.1. Perancangan Blok Diagram... 39 3.2. Perancangan Tugas Akhir... 40 3.2.1. Rangkaian Charger Switching... 40 3.2.2. Rangkaian Inverter Switching... 42 3.3. Pembuatan Komponen Alat... 45 BAB 4\ PENGUKURAN SISTEM DAN ANALISA... 55 4.1. Pengukuran Rangkaian Mikrokontroler ATMega8... 55 4.2. Pengukuran Sistem Catu Daya... 58 BAB 5 4.2.1. Pengukuran Sistem Charger... 58 SIMPULAN DAN SARAN... 71 5.1. Simpulan... 71 5.2. Saran... 71 DAFTAR PUSTAKA... 72 LAMPIRAN... 73
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Proses pengosongan dan pengisian pada baterai... 6 Gambar 2.2 Rangkaian charger linier... 10 Gambar 2.3 Blok diagram charger switching... 11 Gambar 2.4 Jenis Gelombang Inverter... 14 Gambar 2.5 Rangkaian dan bentuk inverter setengah gelombang... 15 Gambar 2.6 Rangkaian inverter gelombang penuh... 16 Gambar 2.7 Trafo inti ferit (a) simbol (b)bentuk fisik... 17 Gambar 2.8 Lengkung rugi hysteresis pada trafo... 21 Gambar 2.9 Karakteristik MOSFET... 22 Gambar 2.10 Rangkaian Cut-Off... 23 Gambar 2.11 Rangkaian Cut-On... 24 Gambar 2.12 Kurva drain transistor MOSFET enhancement-mode.... 25 Gambar 2.13 Simbol MOSFET tipe P... 26 Gambar 2.14 Kurva drain transistor MOSFET depletion-mode... 27 Gambar 2.15 Rangkaian penyearah satu fasa setengah gelombang... 28 Gambar 2. 16 penyearah gelombang penuh dengan center tap.... 30 Gambar 2.17. Prose kerja penyearah center tap dibias maju... 30 Gambar 2.18 Proses kerja penyearah dibias mundur... 31 Gambar 2.19 Rangkaian dan bentuk penyearah yang dilengkapi dengan kapasitor... 33 Gambar 2.20 Bentuk gelombang penyearah dengan kapasitor... 34 Gambar 2.21 Mikrokontroler ATMega8... 35 Gambar 2.22 Deskripsi Pin ATMega8... 36 Gambar 3.1 Blok diagram system... 39 Gambar 3.2 Rangkaian charger Switching... 40 Gambar 3.3 Rangkaian Inverter Switching... 42 Gambar 3.4 Bentuk kern pada trafo... 45 Gambar 3.5 Koker pada trafo... 46 Gambar 3.6 Kawat email pada trafo... 46 Gambar 3.7 Tata letak PCB... 49
Gambar 3.8 Bentuk Fisik rangkaian inverter... 54 Gambar 4. 1 Rangkaian Mikrokontroler Atmega8... 55 Gambar 4.2. Rangkaian ekivalen sistem charger... 58 Gambar 4.3 Grafik fungsi arus terhadap waktu... 60 Gambar 4.4. Rangkaian ekivalen sistem catu daya... 61 Gambar 4.5. Rangkaian ekivalen sistem catu daya dengan beban... 62 Gambar 4.6 Grafik fungsi daya terhadap arus (a) dan (b)... 65 Gambar 4.7 Pengujian sistem catu daya... 66 Gambar 4.8 Gambar gelombang output inveter... 66
DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Tegangan rendah pada setiap pin mikrokontoler... 56 Tabel 4.2 Tegangan tinggi pada setiap pin mikrokontoler... 57 Tabel 4.3 Hasil pengujian system pengisian baterai... 59 Tabel 4.4 Hasil pengujian system catu daya tanpa beban... 61 Tabel 4.5 Hasil pengujian system catu daya dengan beban... 62
DAFTAR LAMPIRAN Lampiran 1 Program Tegangan Tinggi... 73 Lampiran 2. Program Tegangan Rendah... 74 Lampiran 3. Datasheet Photodioda PC 817... 75 Lampiran 4. Datasheet Transistor 2SC815... 79 Lampiran 5. Datasheet MOSFET IRF Z46... 81 Lampiran 6. Datasheet MOSFET IRF 840... 87 Lampiran 7. Datasheet Transistor KSP 42... 89 Lampiran 8. Datasheet Regulator AN 7805... 94 Lampiran 9. Datasheet ATMega8... 99
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah Terlalu seringnya terjadi pemadaman bergilir, maka kami berfikir untuk membuat Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching. Yang mana alat ini mampu menggantikan energy listrik yang dibutuhkan ketika terjadi pemadaman listrik. Meskipun sifatnya hanya sementara, tetapi semua peralatan elektronik membutuhkan alat ini agar dapat berfungsi. Dengan kata lain, catu daya adalah suatu perangkat yang digunakan untuk mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Pada umumnya, catu daya yang digunakan dimasyarakat adalah catu daya linier. Karena berbagai alasan itulah, kami berfikir untuk merancang dan membuat catu daya dengan metode switching.yang dimaksud dengan metode switching yakni menghidup-matikan tegangan masuk ke dalam trafo dengan komponen elektronik dengan frekuensi tertentu. Meskipun prinsip kerja catu daya jenis ini lebih rumit dibandingkan dengan yang lainnya. Tetapi jenis ini memiliki berbagai kelebihan yakni : a. Lebih efisien pemakaian daya listrik b. Regulasi tegangan lebih baik c. Lebih ringan dan ukurannya lebih kecil d. Desipasi daya lebih kecil sehingga tidak terlalu banyak menghasilkan panas e. Filterisasi lebih sederhana Untuk membuktikan berbagai kelebihan itu maka, kami merancang dan membuat catu daya yang terdiri dari charger, baterai dan inverter. Dengan menggunakan baterai 12 volt, 80Ah dan 180 Watt maka:
Sumber daya baterai = 80 Ah x 12 volt = 960 Watt-hours I = = 15 ampere Artinya baterai mampu mensupply arus hingga 15A ke beban. Waktu = = = 5,3 hours Artinya Baterai mampu memberikan energi listrik selama 5,3 jam. Dengan kata lain, dapat dipahami bahwa semakin besar daya yang dihasilkan maka semakin kecil waktu yang mampu disupply oleh baterai. Oleh sebab itu kami menggunakan daya 180W, agar baterai mampu mensupply energy selama pemadaman listrik. Dimana rata-rata pemadaman itu berlangsung sekitar 3-4 jam dalam 1 hari. Sehingga selama pemadaman listrik, aktivitas penggunaan listrik tidak terganggu. 1.2. Rumusan Masalah Permasalahan yang dibahas dalam tugas akhir ini adalah : a. Bagaimana merangkai inverter dan charger baterai dengan metode switching? b. Berapa lama baterai mampu mensupply energi listrik?
c. Berapa lama proses pengisian baterai? 1.3. Batasan Masalah Tugas akhir ini hanya akan membahas tentang : a. Perancangan dan pembuatan catu daya berkapasitas 180W dengan metode switching. b. Alat ini hanya mampu digunakan pada beban R (resistirf), C (kapastif) dan RC (resistif-kapasitif). 1.4.Tujuan Pembuatan Tugas Akhir a. Tujuan yang ingin dicapai pada proyek Tugas Akhir ini untuk memberikan informasi tentang catu daya berkapasitas 180W dengan metode switching. b. Memberikan catu daya pada saat PLN padam. 1.5. Manfaat Tugas Akhir Adapun manfaat dari perancangan dan pembuatan tugas akhir ini adalah : a. Agar mampu digunakan saat terjadi pemadaman listrik. b. Agar tidak menggangu aktivitas meskipun terjadi pemadaman listrik. 1.6. Metode Pengumpulan Data Dalam Penulisan Tugas Akhir ini penulis mengumpulkan data yang dilakukan dengan metode pustaka yaitu dengan cara mencari buku-buku atau informasi yang berhubungan dengan alat ini di perpustakaan. Serta mencari datadata yang diperlukan dalam pembuatan proyek ini dengan menggunakan fasilitas internet.
1.7. Sistematika Penulisan Laporan ini ditujukan untuk memaparkan hasil pembuatan, perakitan dan pengujian sistem yang dibuat. Untuk mempermudah pemahaman, maka penulis menyusun tugas akhir ini dalam beberapa bab, yang masing- masing bab mempunyai hubungan yang saling terkait dengan bab lain. Bab yang terkandung dalam laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: BAB 1 BAB 2 BAB 3 BAB 4 BAB 5 PENDAHULUAN Bab ini berisikan mengenai Latar Belakang, Rumusan Masalah, Batasan Masalah, Tujuan Penulisan, Metode Pengumpulan Data, serta Sistematika Penulisan. LANDASAN TEORI Bab ini berisi mengenai penjelasan teori- teori yang dapat menunjang dalam pembuatan Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching PERANCANGAN ALAT Bab ini memberikan penjelasan tentang pembuatan rangkaian, tata cara dan tata letak komponen dalam pembuatan Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching PENGUJIAN DAN ANALISA Bab ini berisi tentang analisa rangkaian, cara kerja rangkaian, dan hasil uji coba rangkaian. SIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari keseluruhan pembahasan pembuatan Rancang Bangun Catu Daya Berkapasitas 180W dengan Metode Switching DAFTAR PUSTAKA