## JEPCA

## Desain Charger Control Pembangkit Listrik Tenaga Hybrid Dengan Pengaturan Duty Cycle PWM
Leily W Johar
Fakultas Teknik, Universitas Batanghari Program Studi Teknik Listrik, Fakultas Teknik, Universitas Batanghari
* Corresponding author, e-mail: leily.wustha.johar@unbari.ac.id
Abstrak_ Penggunaan  tegangan  sumber  DC  yang  diperoleh  dari  sel  surya  dan  generator  DC  nilainya  bervariasi  tergantung kondisi  alam  sekitar,  untuk  itu  dibutuhkan  kontroler  yang  berfungsi  mengatur  tegangan  tersebut  dalam  melakukan  proses pengisian ke akumulator. Pada paper ini akan dibahas tentang rancang bangun charge controller berbasis Arduino Uno R3 dengan mikrokontroler  ATmega328.  Kontroler  ini  digunakan  untuk  mengatur  proses charging yang  berasal  dari  sumber  DC  dengan tegangan open circuit maksimum 24 Volt, yang  kemudian digunakan untuk men- charge akumulator 12 Volt. Charge controller ini  bekerja  dengan  cara  mengirimkan  tegangan  sumber  yang  diatur  modulasi  lebar  pulsa  gelombangnya  atau pulse  width modulation. Pada  saat  tegangan  akumulator  ˂13,8  Volt,  kontroler  akan  melakukan  proses charging dengan duty  cycle 95%, apabila  tegangan  akumulator  >13,8  Volt  dan  ˂14,4  Volt, charging akan  dilakukan  dengan duty  cycle 10%,  dan  jika  tegangan akumulator  melebihi  14,4  Volt,  proses charging akan  dihentikan.  Beberapa  peralatan  proteksi  juga  terdapat  pada charge controller ini  seperti  proteksi  tegangan  lebih,  arus  lebih  dan  juga  pengontrolan  pemutus  hubungan  ke  beban  apabila  tegangan akumulator  sudah  lemah,  dan  pemutus  hubungan  dari  sumber  ke  akumulator  apabila  kondisi  akumulator  sudah  penuh.  Untuk memperlihatkan  kerja  sistem  secara  keseluruhan  maka  dengan  mikrokontroler  Arduino  Uno  R3  parameter  tegangan  sumber, tegangan akumulator dan persentase status akumulator di  tampilan  pada  layar  LCD kemudian 2  lampu LED dan  buzzer sebagai indikator  pada  saat  proses charging berlangsung  dan  pada  saat  kondisi  akumulator  lemah.  Dari  hasil  pembacaan  tegangan  pada sensor pembagi tegangan memiliki error kurang dari 6,22% pada terminal sumber, dan 6,89% pada terminal akumulator.
Kata Kunci : Charger, Duty Cycle, PWM
Abstract_  The  use  of  DC  source  voltage  obtained  from  solar  cells  and  DC  generators  varies  in  value  depending  on  the surrounding  natural  conditions,  for  that  a  controller  is  needed  which  functions  to  regulate  the  voltage  in  carrying  out  the charging process to the accumulator. This paper will discuss about the design of charge controller based on Arduino Uno R3 with ATmega328  microcontroller.  This  controller  is  used  to  regulate  the  charging  process from  a  DC  source  with  a  maximum  open circuit  voltage  of  24  Volts,  which  is  then  used  to  charge  the  12  Volt  accumulator.  This  charge  controller  works  by  sending  a source voltage that is regulated by pulse width modulation. When the accumulator voltage is 13.8 Volt, the controller will carry out  a charging  process  with a duty cycle of 95%, if the accumulator voltage is> 13.8 Volts and ˂14.4 Volts, charging  will  be carried  out  with  a  duty  cycle  of  10%,  and  if  the accumulator  voltage  exceeds  14.4  Volt,  the  charging  process  will  be  stopped. Some protection equipment is also included in this charge controller such as overvoltage protection, overcurrent and also control of the connection breaker to the load when the accumulator voltage is weak, and a disconnect from source to accumulator when the accumulator condition is full. To show the work of the whole system, with the Arduino Uno R3 microcontroller the parameters of source voltage, accumulator voltage and percentage of accumulator status are displayed on the LCD screen then 2 LED lights and  a  buzzer  as  indicators  during  the  charging  process  and  when  the  accumulator  condition  is  weak.  From  the  results  of  the voltage  reading  on  the  voltage  divider  sensor,  it  has  an  error  of  less  than  6.22%  at  the  source  terminal  and  6.89%  at  the accumulator terminal..

## Keywords : Charger, Duty Cycle, PWM

## 1. PENDAHULUAN
Charge  controller merupakan  suatu  peralatan elektronika  yang  juga  merupakan  salah  satu  komponen bagian dari sistem pembangkit listrik tenaga hybrid yang mempunyai fungsi untuk mengatur proses pengisisan aki dan  juga  sebagai  tempat  terhubungnya  sumber, akumulator,  dan  beban[1].  Alat  ini  mampu  mengontrol proses  pengisian  energi  listrik  yang  masuk  ke akumulator  dari  sumber,  dan  memiliki  fungsi  untuk mencegah  kelebihan  pengisisan  ( overcharging )  yang dapat  mengurangi  umur  penggunaan  akumulator  dan mencegah  terjadinya  kegagalan  dalam  penggunaan. Tegangan sumber DC yang diperoleh dari  sel surya dan generator  DC  nilainya  bervariasi  tergantung  kondisi
alam  sekitar,  sehingga  kontroler  ini  berfungsi  untuk mengatur  tegangan  tersebut  untuk  melakukan  proses pengisian  ke  akumulator  dan  menjaga  akumulator,  agar proses  pengisian  tidak  melewati  batas  toleransi  daya yang mampu disimpan, untuk mencegah kerusakan pada akumulator  dan  menjaga  umur  pemakaian  agar  lebih tahan  lama[2].  Alat  ini  juga  mencegah  arus  balik  yang dapat  mengalir  kembali  ke  sumber,  karena  apabila sumber  dalam  kondisi  tidak  mensuplai,  sumber  dapat bertindak sebagai beban pada kondisi tersebut, sehingga penggunaan  daya  akumulator  dapat  dikonsumsi  dengan maksimal. Pengontrolan ini merupakan fungsi dasar dari sebuah charge  controller. Pada  paper  ini  beberapa peralatan  proteksi  juga  terdapat  pada charge  controller
ini  seperti  proteksi  tegangan  lebih,  arus  lebih  dan  juga pengontrolan  pemutus  hubungan  ke  beban  apabila tegangan  akumulator  sudah  lemah,  dan  pemutus hubungan  dari  sumber  ke  akumulator  apabila  kondisi akumulator sudah penuh

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Terdapat  2  jenis charge  controller yang didasarkan  pada  cara  kerjanya  dalam  melakukan  proses pengisian,  diantaranya  adalah Pulse  Width  Modulation (PWM) dan Maximum Power Point Tracker (MPPT)[3][4].

## Pulse Width Modulation (PWM)
Pengontrol  ini  melakukan  proses  pengisian dengan  cara  mengatur  modulasi  lebar  pulsa  untuk mengendalikan  keberlangsungan  proses  pengisisan. Kontroler  akan  memeriksa  status  akumulator  untuk menentukan  seberapa  cepat  dan  seberapa  besar  lebar pulsa  yang  akan  disuplai  kontroler.  Pada  kondisi akumulator  hampir  penuh  dan  tidak  berbeban,  pulsa yang  akan  disuplai  ke  akumulator  akan  sangat  kecil setiap  detiknya,  namun  apabila  kondisi  akumulator sedang berbeban, lebar pulsa ini akan panjang, lama dan berkelanjutan.Alat  kontroler  jenis  ini  akan  menurunkan jumlah  daya  yang  masuk  ke  akumulator  untuk mengurangi  stress  pada  akumulator  apabila  kondisi akumulator  mendekati  penuh.  Namun  alat  ini  memiliki keterbatasan yaitu, tegangan alat ini harus sesuai dengan tegangan  akumulator  yang  akan  digunakan,  kemudian kapasitas maksimum alat ini biasanya sebesar 60 A.
Untuk membangkitkan gelombang PWM menggunakan    rangkaian  Analog  maka  dibutuhkan  dua buah  gelombang,  yaitu  gelombang Reference dan gelombang Carrier. Pada proses PWM kedua gelombang  ini  dibandingan  untuk  mendapatkan  kondisi ON dan kondisi OF pada sebuah gelombang PWM[6].
t on t off V carrier Vr eferensi V t V t T V sat
Gambar 1. Proses PWM [9]
𝐷 = 𝑡 𝑜𝑛 (𝑡 𝑜𝑛 +𝑡 𝑜𝑓𝑓 ) ......................................... (1)
Proses Charging Proses charging pada charge  controller dalam laporan  ini  bekerja  berdasarkan  pengaturan  modulasi lebar  pulsa  ( pulse  width  modulation ). Pulse  width modulation (PWM)  merupakan  suatu  teknik  untuk memperoleh  sinyal  analog  yang  diperoleh  dari  sebuah
piranti  digital.  Hasil  keluaran  sinyal  analog  dapat berubah  besarnya  dengan  memberikan  inputan  berupa sinyal  digital  dengan  bentuk  gelombang  kotak  yang diatur lebar pulsanya ( pulse width ) pada saat On dan Off atau  durasi  frekuensi  pada  saat high (5V)  dan low (0V)dalam  satu  periode  gelombang.  Persentase  lamanya periode  sinyal  pada  saat high atau  On  dengan  periode sinyal disebut duty cycle (D)[5][7]. Persentase duty cycle berbanding  lurus  dengan  tegangan  keluaran  rata-rata yang dihasilkan.
Gambar 2. Proses PWM [9]

## 3. METODOLOGI
Pada perencanaan dan pembuatan charge controller meliputi  rangkaian  komponen  elektronika charge  controller itu  sendiri  dengan  arduino  uno  R3 sebagai  kontrolernya,  sumber  tegangan  DC  (energi terbarukan),  akumulator  dan  beberapa  komponen pendukung  seperti  sensor  tegangan, power  supply dan output berupa  LCD  sebagai  parameternya,  mengacu pada gambar blok diagram dibawah.
Gambar 3. Blok Diagram Gate Driver[8]
Pada paper ini dirancang sebuah charge controller yang  didalamnya  terdiri  dari  beberapa  rangkaian, diantaranya  adalah  rangkaian power  supply yang berfungsi  untuk  menghasilkan supply tenaga  untuk
kontroler,  yang  mana supply ini  diperoleh  dari akumulator 12V, yang juga merupakan akumulator yang sama untuk proses charging , dengan kapasitas 7Ah yang kemudian diregulasi tegangannya menggunakan regulator  tegangan  berupa  IC  regulator  tegangan  seri 7809 untuk menghasilkan tegangan keluaran 9 Volt yang tetap  dan  stabil.  Hasil  keluaran  dari  rangkaian power supply 9  Volt  ini  akan  menjadi inputpower untuk kontroler  arduino  uno  R3.  Sumber  listrik  hybrid charge kontroler merupakan input sumber DC dengan tegangan maksimum  24  Volt  yang  kemudian  akan  digunakan untuk men- charge akumulator 12 Volt dengan kapasitas 7Ah  sebanyak  tiga  buah. Charge  controller dibuat dengan arus maksimum 5A, agar mampu menyuplai arus yang mengalir dari sumber ke akumulator.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 4. Rangkaian Realisasi Gate Driver

## A. Pengujian Gelombang PWM
Pada  pengujian  ini,  proses  dimulai  dari  sumber DC  yang  masuk  melalui  input charge  controller , kemudian akan dilihat gelombang PWM yang dihasilkan untuk  men- charge akumulator  pada duty  cycle 95%, 10%  dan  0%  dengan  ketentuan  yang  telah  dibuat  sesuai dengan  programnya,  termasuk  pemutus-sambungan  dari akumulator ke beban.
Gambar 5. duty cycle (a) PWM 95 % (b). PWM 10 %
Pada  saat  pengujian  dengan  memberikan  sumber tegangan  DC  sebesar  14,12  Volt  pada  terminal  inputan sumber  DC  dan  tanpa  ada  pengaturan switching ( duty cycle 100%) pada MOSFET, maka pada terminal output yang  akan  terhubung  ke  akumulator  diperoleh  tegangan sebesar  13,24  Volt,  sehingga  dapat  disimpulkan  bahwa
untuk  men- charge akumulator  hingga  tercapai  pada kondisi penuh atau full (tegangan akumulator 14,4 Volt), setidaknya dibutuhkan input sumber tegangan DC di atas  15,28 Volt.
Pengujian  juga  dilakukan  dengan  men- charge akumulator  selama  6  jam,  dan  dilakukan  pengukuran tegangan  sumber  dan  tegangan  akumulator  setiap jamnya  dan  pengukuran  arus  yang  mengalir  antara power supply ke input charge controller .

## B. Pengujian Charger Control
Pada  pengujian,  sumber  yang  menjadi  inputan yang  akan  masuk  ke  terminal charge  controller menggunakan power  supply merk  Omron  tipe  S82K- 05024  24  VDC  2,1  A  yang  kemudian  dirangkai  paralel dengan  regulator  tegangan  LM7818,  sehingga  diperoleh keluaran tegangan hybrid (VHY) sebesar 18,28 Volt dan tegangan  akumulator  (VBT)  awal  sebesar  12,  55  Volt yang terdiri dari 3 buah akumulator 7Ah.
Gambar 6. Grafik Hasil Pengujian
Pada  grafik  di  atas  pengukuran  tegangan dilakukan  saat  kondisi  terhubung,  dan  arus  yang dialirkan  dari  sumber  yang  masuk  ke charge  controller pada  mulanya  mencapai  1,  5  A  yang  kemudian  turun hingga  stabil  pada  0,166  A.  Arus  yang  kecil  ini  dapat disebabkan  oleh  karena power  supply yang  digunakan kurang mampu menyuplai dengan maksimal.
Sebelum di- charge : V HY =  18, 28 Volt V BT =   12, 55 Volt Setelah di- charge : V HY =  18, 28 Volt V BT =   13, 14 Volt
Sehingga  berdasarkan  pengujian  di  atas,  proses charging dapat berjalan dengan baik.

## 5. KESIMPULAN
Dalam Paper ini telah dilakukan penelitian Proses charging didasarkan  pada  pengaturan  PWM,  dan  terdiri dari  2  jenis,  yaitu  boost  mode  dan  float  mode  yang dibedakan  dari  pengaturan duty  cycle nya.  Pembacaan tegangan  pada  sensor  pembagi  tegangan  memiliki  error kurang  dari  6,22%  pada  terminal  sumber,  dan  6,89% pada terminal akumulator. Besarnya persentas duty cycle
0 5 10 15 20 1 Jam 2 Jam 3 Jam 4 Jam 5 Jam 6 Jam V HY
V BT
sama  dengan  perbandingan  periode  saat  On  dengan periode  1  gelombang  penuh  itu  sendiri.  Tegangan sumber  dan  akumulator  pada  saat  proses charging mengalami  kenaikan  seiring  waktu  berjalan  dimana Tegangan  akumulator  sebelum  di- charge sebesar  12,55 Volt, setelah 6 jam Proses charging menjadi 13,14 Volt.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Kurnifan.A.  P,  dkk,  "PENGEMBANGAN  ALAT CONTROL CHARGING

## PANEL
SURYA MENGGUNAKAN  ARDUINO  NANO  UNTUK SEPEDA LISTRIK," Jurnal Edukasi Elektro, Vol.2,
No.1, Mei 2018.
[2] I Gusti.N.A.M, dkk,"RANCANG BANGUN BATERAI CHARGE CONTROL UNTUK SISTEM PENGANGKAT AIR BERBASIS
ARDUINO  UNO  MEMANFAATKAN  SUMBER
PLTS,"  E-Journal  SPEKTRUM,  Vol.3,  No.1,  Juni
2016.
[3] C.Y.Sirait  dan  Hendi  Matalata,"PERANCANGAN BOOST CONVERTER DENGAN LDR SEBAGAI PENGENDALI  SINYAL  PWM,"  JEPCA,  Vol.1, No.2, 2018.
[4] Irfan.  M.  dkk.,"RANCANG  BANGUN  SOLAR
CHARGER  CONTROLLER  MENGGUNAKAN SYNCRONOUS NON-INVERTING BUCK- BOOST CONVERTER PADA PANEL SURYA 50 WATT PEAK(WP) BERBASIS ARDUINO NANO V3.0," Jurnal pendidikan Vokasi Teknik
Elektronika. Vol.1, No.1, April 2018.
[5] Hendi Matalata,"Analisa Buck Converter dan Boost Converter  Pada  Perubahan  Duty  Cycle  PWM Dengan Membandingkan Frekuensi PWM 1,7 KHz dan 3,3 KHz," Jurnal Ilmiah Universitas Batanghari Jambi, Vol.18, No.1, Februari 2018.
[6] N.MOHAN, book, 1st ed., vol.1. USA:Don Fowley, 2012.
[7] A.  Datta,  D.  Mukherje,  and  H.  Saha."  A  dsPIC based novel digital sinusoidal pulse-width modulation  technique  for  voltage  source  inverter applications," microprocess.  Microsyst .,  vol.38, no.7, pp.649-658, 2014.

## Biodata Penulis
Leily.W.Johar ,  Menyelesaikan  pendidikan  sarjana  di Universitas  Bung  Hatta  jurusan  teknik  elektro  pada tahun 1996. Pada tahun 2017 menyelesaikan pendidikan magister  di  Universitas  Andalas  jurusan  teknik  elektro. Saat ini mengajar di Universitas Batanghari pada jurusan teknik  listrik  dengan  bidang  riset  teknik  tenaga  listrik dan proteksi daya listrik.