## Rancang Bangun Sistem Otomasi Pengalih Catu Daya Cadangan 5 VDC untuk Beban Daya Rendah
Sigit Kurniawan 1*
1 Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Jambi
* Corresponding author, e-mail:sigit@politeknikjambi.ac.id

## Abstrak
Peralatan monitoring seperti kamera CCTV, finger scanner dan instrument pengukuran umumnya didesain untuk konsumsi daya rendah, peralatan ini senantiasa difungsikan secara terus-menerus dan membutuhkan suplai listrik yang kontinu. Suplai daya listrik yang kontinu idak dapat dicapai jika hanya menggunakan satu sumber listrik, tanpa adanya sumber listrik cadangan. Disini lain, jika menggunakan sumber listrik cadangan dibutuhkan sistem pengalih sumber listrik yang bekerja secara otomatis. Penelitian ini berkaitan dengan rancang bangun sistem otomasi pengalih catu daya 5 VDC untuk beban daya rendah, tujuan dari penelitian ini adalah merancang sistem otomasi yang bekerja untuk mengalihkan sumber peralatan dari sumber daya utama (PLN) ke sumber daya cadangan (baterai) atau sebaliknya agar ketidak-tersediaan  sumber  listrik  tidak  mempengaruhi  kerja  alat.  Sistem  otomasi  pengalih  daya  catu  daya  cadangan  5  VDC  dirancang menggunakan komponen komparator untuk mendeteksi kondisi tegangan sumber dan terbuhung dengan relai untuk mengatur sumber daya yang harus digunakan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem yang dirancang dapat bekerja sesuai yang diharapkan dengan batasan respon keluaran akibat transisi pengalihan sumber berlangsung selama 20 ms.
Kata Kunci : Sistem otomasi pengalihan catu daya, Catu daya 5 VDC, Beban daya rendah
Abstract
[  Title:  Design  and  Development  Automation  Switch  System  of  5  VDC  Power  Supply  for  Low  Power  Loads]. The monitoring  devices  such  as  CCTV  camera,  finger  scanner  and  measurement  instrumentation  is  generally  are  designed  with  low  power consumption, these devices was functioned continuously and require a continuous electrical supply. The continuous of electrical power supply did not reach if only use single supply, without other power supply as back up. In other side, if using a backup power supply is required the electrical supply switch system that works automatically. This research related design and development the automation switch system of 5 VDC power supply for low power load, the aim of the research is to design the automated switch system of 5 VDC backup power supply to divert source from the main power supply (PLN) to the backup power supply (battery) or vice versa so unavailability the main power supply does not affect the working device. The automation switch system of 5 VDC power supply is designed by using the comparator to detect the voltage source conditions and integrated to relay to manage the electrical source that used. The research results shown that the system was designed can work as expected with limit the output response due to switch transition as long as 20 ms.
Keywords : The power supply switch system, 5 VDC power supply, Low power load

## PENDAHULUAN
Penggunaan  alat  elektronik  dengan  komsumsi daya  rendah  semakin  meningkat  seiring  dengan kemampuan  teknologi  untuk  menciptaan  alat tersebut  (Ijjada  dkk.,  2011),  peralatan  elektronik seperti  kamera  CCTV, fingerprint  scanner maupun instrument  pengukuran  telah  dirancang  untuk  dapat bekerja  pada  tataran  tegangan  5  VDC.  Disisi  lain, peralatan  tersebut  membutuhkan  daya  listrik  yang bersifat  kontinu  karena  difungsikan  secara  terus- menerus  (M  R  dan  S  G,  2016),  walaupun  beberapa peralatan  elektronik  telah  dilengkapi  catu  daya cadangan  seperti  baterai  yang  dapat  diisi  ulang ( recharger battery ) dan sebagainya, namun tidak sedikit perangkat  elektronik  yang  tidak  dilengkapi  sistem catu daya cadangan karena alasan desain dan kebijakan dari pembuat produk.
Untuk peralatan elektronik dengan fungsi khusus seperti monitoring sistem atau pencatatan data ( data
recording ) dibutuhkan suplai daya listrik yang bersifat kontinu  agar  dari  setiap  proses  yang  berlangsung tidak terjadi kehilangan data (Matsuoka dkk., 2014). Suplai  daya  listrik  yang  kontinu  tidak  dapat  dicapai ketika  hanya  menggunakan  satu  sumber  listrik  saja, tanpa adanya sumber listrik cadangan. Disamping itu, jika  sumber  listrik  cadangan  seperti  baterai atau alat penyimpan  energi  listrik  yang  lain  sengaja ditambahkan,  dibutuhkan  suatu  sistem  pengalihan catu  daya  yang  dapat  bekerja  secara  otomatis  (Roy, Newton,  dan  Solomon,  2014)  agar  catu  daya cadangan  tersebut  dapat  langsung  dimanfaatkan sebagai  pengganti  dari  sumber  listrik  utama.  Oleh karenanya dalam penelitian ini dirancang suatu sistem pengalih  catu  daya  cadangan  yang  bekerja  secara otomatis  dengan  sumber  listrik  utama  berupa  listrik PLN dan catu daya cadangan berupa baterai Lithium- ion  (Li-ion)  untuk menyuplai  kebutuhan  daya  listrik dari peralatan elektronik dengan beban daya rendah.

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  bersifat  rancang  bangun,  dasar perancangan sistem disesuaikan dengan permasalahan yang  ada  sebagaimana  telah  dijelaskan.  Kriteria rancangan yang diharapkan berupa:
 Alat  difungsikan  sebagai  pengalih  catu  daya cadangan DC yang bekerja secara otomatis.
 Alat  difungsikan  untuk  peralatan  elektronik dengan  konsumsi  daya  rendah  <  10  Watt  (5 VDC).
 Sistem  otomasi  tetap  bekerja  walaupun  sumber energi listrik utama mati/terputus. Desain  dari  sistem  yang  dirancang  sebagaimana ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Desain  sistem didasarkan  pada  kondisi  dimana  ada  atau  tidaknya sumber  listrik  utama  PLN.  Jika  sumber  listrik  PLN tersedia  maka  beban  akan  mengunakan  sumber tersebut  sebagai sumber  listrik,  sebaliknya  jika  tidak tersedia  maka  beban  akan  memanfaatkan  sumber listrik dari catu daya cadangan. Tersedia atau tidaknya sumber  listrik  PLN  dapat  diketahui  dengan  cara membandingkan  nilai  tegangan  adaptor  AC-DC (berasal  dari  sumber  listrik  PLN)  dengan  tegangan baterai (catu daya cadangan), jika nilai perbandingannya  sama  akan  bernilai  nol  (0  V), sebaliknya  jika  tidak  sama  maka  keluaran  dari komparator  akan  bernilai  satu  (5  V).  Sedangkan untuk  mengurangi  kesalahan  pada
Gambar 1. Blok diagram rancangan sistem otomasi pengalih catu daya cadangan 5 VDC
proses perbandingan maka level baterai harus dibuat sama  dengan  level  tegangan  keluaran  dari  adaptor AC-DC. Oleh karena itu, dibutuhkan modul DC-DC Step Up Converter untuk menaikkan level tegangan dari baterai.
Tegangan keluaran hasil perbandingan komparator  dapat  dimanfaatkan  untuk  mengontrol komponen  relai.  Pada  saat  kondisi  keluaran  dari komparator  bernilai  nol  merupakan  indikasi
bahwasanya  sumber  listrik  utama  tersedia  dan  relai dalam  kondisi Off ,  sedangkan  kondisi  sebaliknya merupakan indikasi bahwa sumber listrik utama tidak tersedia dan relai dalam kondisi On . Kontak terminal dari  relai  terdiri  atas Normally  Open (NO)  dan Normally Closed (NC). Pada kondisi relai Off terminal NC  akan  terhubung,  sedangkan  terminal  NO terputus.  Oleh  karenanya,  terminal  NC  dapat digunakan sebagai jalur sumber listrik PLN ke beban dan terminal NO sebagai jalur catu daya cadangan ke beban.  Untuk  mengurangi  jumlah  komponen  yang digunakan  dalam  perancangan  maka  dipilih  tipe komparator yang memiliki arus keluaran yang cukup untuk  mengontrol  relai  secara  langsung,  komponen tersebut  berupa LM 311.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam  perancangan  sistem  otomasi,  hal  utama yang harus diperhatikan adalah terkait dengan kinerja dari  LM  311  sebagai  komponen  komparator, sekaligus  komponen  pengontrol  relai.  Sebagai komponen komparator, LM 311 (Anonimous, 2015) memiliki minimum tegangan input diferensial sebesar 100 mV, artinya dengan selisih tegangan sebesar 0.1 V pada kedua sisi inputanya akan dideteksi oleh LM 311    sebagai  nilai  input  yang  berbeda,  dengan  kata lain  LM  311  dapat  mendeteksi  perbedaan  tegangan hingga 0.1 V.
Gambar  2  menunjukkan  kurva  respon  keluaran LM  311.  Dalam  kaitannya  sebagai  kontrol,  terlihat bahwa  waktu  respon  keluaran  dari  LM  311  hanya sekitar  200  ns,  artinya  bahwa  komponen  ini  masih memungkinkan  untuk  digunakan  sebagai  pengontrol komponen  relai  agar  dihasilkan  suatu  tegangan keluaran  yang  bersifat  kontinu,  mengingat  waktu respon dari LM 311 yang cukup kecil sehingga dapat direduksi dengan pemasangan filter.
Baterai Li-ion AC-DC Converter Relay DC-DC Step Up Komparator AC PLN Beban
Gambar 2. Karakteristik respon keluaran LM 311
Desain  sistem  otomasi  pengalih  catu  daya cadangan  sebagaimana  ditunjukkan  pada  Gambar  3. Komponen R1 dan R2 difungsikan untuk membatasi arus  bias  yang  masuk  pada  LM  311,  arus  bias  yang besar  dapat  menyebabkan  terjadinya  disipasi  daya yang berlebih pada komponen LM 311.
Gambar 3. Rangkaian komparator LM 311 dan relai
Besarnya  R1, R2  dan  R3  masing-masing  10  kΩ, dengan  suplai  tegangan  VCC  sebesar  5  V  maka besarnya  arus  bias  input  dapat  dihitung  dalam hubungan (1)
dari (1) didapatkan bahwa arus bias input lebih besar dari arus input maksimum (300 nA), namun  karena tegangan  VCC  yang  digunakan  dalam  rancangan sebesar  5  V  maka  disipiasi  daya  yang  terjadi  masih relatif kecil. Sedangkan resistor R3 difungsikan untuk menghindari  terjadinya  tegangan  ambang  ( floating voltage) pada  pin  input LM  311,  terjadinya  tegangan ambang  ( floating  voltage) pada  pin  input  LM  311, tegangan  ambang  ini  dapat  menyebabkan  proses komparasi  dari  LM  311  tidak  berjalan  dengan  baik dan  kondisi  keluarannya  menjadi  tidak  stabil. Tegangan  ambang  terjadi  karena  masih  adanya muatan liar pada jalur PLN walaupun sumber listrik PLN  telah  terputus,  untuk  mengurangi  gejala  ini maka  resistor  R3  dihubungkan  secara  langsung  ( by pass )  ke  GND  sehingga  kelebihan  muatan  dapat langsung dibuang pada jalur GND.
Sistem  otomasi  pengalih  catu  daya  cadangan secara  lengkap  dapat  dilihat  pada  Gambar  4.  Sistem
tersebut  terdiri  dari  tiga  komponen  utama  berupa modul  XL  6009  DC-DC Step  Up  Converter ,  modul converter  digunakan  untuk  menaikkan  tegangan baterai karena umumnya tegangan baterai kurang dari 5 V. Relai SPDT 5 V dan LM 311 yang difungsikan sebagai sistem otomasi dari pengalih catu daya.
Gambar 4. Sistem otomasi pengalih catu daya cadangan 5 VDC
Hasil  pengujian  sistem  sebagaimana  ditunjukkan pada  Tabel  1,  dari  data  tabel  dapat  dilihat  bahwa sistem  otomasi  bekerja  dengan  baik  untuk mengalihkan  sumber  daya  listrik  sesuai  yang direncanakan.  Kondisi  dimana  sumber  listrik  benar- benar  tidak  tersedia  hanya  terjadi  ketika  sumber listrik  utama  maupun  catu  daya  cadangan  dalam keadaan  mati/terputus.  Kondisi  lain  yang  terjadi, ketika  catu  daya  cadangan  bekerja  tetapi  pada  saat bersamaan  sumber  listrik  utama  kembali  tersedia maka  aliran  dari  baterai  akan terputus  dan  dialihkan kembali  ke  sumber  listrik  utama,  mekanisme  ini menguntungkan ketika jenis catu daya cadangan yang digunakan berupa perangkat penyimpan energi listrik yang bisa diisi-ulang ( recharger ) melalui sumber listrik PLN. Kapasitas baterai Li-Ion yang digunakan sebesar 5000 mAH dan arus yang dapat diakomodir rata-rata sebesar 1,5 A.
Tabel 1. Hasil pengujian dan respon keluaran dari sistem yang dirancang.
Kondis i Tegangan Sumber (V) Kondis i Relay Keteranga n PL N Baterai * )
1 0 0 Off Tidak ada sumber listrik 2 5.5 0 Off Sumber listrik dari PLN
(1) 5 VDC Input Relay LM 311 XL 6009 Baterai Input Keluaran Catu daya
3 0 5.5 On Sumber listrik dari Baterai 4 5.5 5.5 Off Sumber listrik dari PLN
*) Tegangan baterai setelah melewati modul XL 6009
Jeda waktu pengalihan dari satu sumber listrik ke sumber  listrik  yang  lain  menjadi  analisa  dalam perancangan,  bagaimanapun  tiap  transisi  pengalihan sumber listrik akan terdapat jeda waktu yang terjadi sehingga  mempengaruhi  respon  tegangan  keluaran dari  sistem.  Untuk  melihat  respon  sistem  terhadap kondisi  dimana  salah  sumber  listrik  terputus  maka tegangan  keluaran  dari  sistem  diukur  menggunakan ADC  mikrokontror  dengan  waktu  sampling  1  ms. Pengujian  ini  dimaksudkan  untuk  mengetahui kontinuitas  dari  sumber  listrik  yang  dihasilkan  oleh rangkaian  otomasi. Gambar  5  menunjukkan karakteristik  keluaran  dari  sistem  ketika  transisi pengalihan terjadi, lamanya jeda tersebut dipengaruhi oleh waktu operasi dari relai dan respon keluaran dari LM 311.
Gambar  5.  Transisi  perubahan  tegangan  keluaran ketika sistem otomasi bekerja
Berdasarkan  kurva  transisi  perubahan  tegangan keluaran terlihat bahwa waktu yang dibutuhkan oleh sistem  untuk  kembali  pada  kondisi  tegangan  normal (5.5  V)  sebesar  20  ms.  Penyebab  utama  yang mempengaruhi  jeda  waktu  tersebut  terkait  dengan waktu  operasi  dari  komponen  relai,  berdasarkan datasheet komponen  menunjukkan  bahwa  waktu operasi  dari  jenis  relai  yang  dipakai  sekitar  10  ms (Anonimous, 2016). Lamannya waktu tersebut dapat
menjadi  pertimbangan  ketika  alat  otomasi  ini  akan difungsikan  sebagai  alat  pendukung  catu  daya otomatis bagi peralatan recording atau monitoring (Goh dkk.,  2011),  ketika  proses  pengalihan  catu  daya terjadi maka suplai ke beban akan terputus dan beban akan  berhenti  bekerja  selama  waktu  pengalihan sumber, dengan kata lain akan terjadi kehilangan data atau informasi dalam waktu sekitar 20 ms.

## KESIMPULAN
Sistem  otomasi  pengalih  catu  daya  cadangan  5 VDC  sebagai  rancangan  sistem  untuk  mengatur pengunaan  sumber  daya  listrik  pada  beban  daya rendah  telah  berhasil  dikembangkan  dan  berjalan dengan  baik.  Keberadaan  sumber  listrik  dideteksi menggunakan  komparator  LM  311,  sedangkan pengalihan  sumber  daya  listrik  diatur  berdasarkan nilai keluaran dari LM 311 dan mekanisme kerja dari relai.  Mekanisme  kerja  dari  sistem  memungkinkan untuk  dapat  menyimpan  sumber  listrik  pada perangkat  catu  daya  cadangan  ketika  sumber  utama tersedia.  Batasan  dari  sistem  otomasi  ini  adalah terkait  dengan  lamanya  waktu  pengalihan  dari sumber satu ke sumber yang lain yaitu selama 20 ms.

## DAFTAR PUSTAKA
Anonimous.  (2015). LMx11  Quad  Differential
Comparators datasheet . Retrieved from www.ti.com/lit/ds/symlink/lm311.pdf
Anonimous.  (2016). Compact  Single-pole  Relay  for Switching 5 A • . Retrieved from https://www.omron.com/ecb/products/pdf
/en-g5sb.pdf
Goh, Y. L., Ramasamy, A. K., Nagi, F. H., Azwin, A.,  &  Abidin,  Z.  (2011).  Evaluation  of  DSP based  Numerical  Relay  for  Overcurrent Protection. International  Journal  of  Systems Applications,  Engineering  &  Development , 5 (3), 396–403.
Ijjada,  S.  R.,  Kumar,  S.  V.  S.,  Reddy,  M.  D., Rahaman, S. A., & Rao, V. M. (2011). Design of  Low  Power  and  High  Speed  Inverter. International  Journal  of  Distributed  and  Parallel Systems , 2 (5), 127–135.
M R, A., & S G, Arun Kumar, et al. (2016). Design of  a  Smart  Low  Cost  Mini  Ups  for  PC’s. International Journal Of Engineering And Computer
Relay Off Relay ON Tx 0 1 2 3 4 5 6 0 5 10 15 20 25 30 V out (V ) waktu (ms)
Science , 5 (5), 16740–16745.
https://doi.org/10.18535/ijecs/v5i5.70
Matsuoka,  H.,  Yamauchi,  T.,  Furutani,  T.,  & Takeno,  K.  (2014).  Backup  Power  Supply System  Using  Fuel  Cells  as  Disaster Countermeasure for Radio Base Stations. NTT DOCOMO Technical Journal , 15 (3), 4–9.
Roy,  A.  A.,  Newton,  F.,  &  Solomon,  I.  (2014). Design  and  Implementation  of  a  3-Phase Automatic  Power  Change-over  Switch. American  Journal  Of  Engineering  Research , 3 (9), 7–14.