http://ejournal.unp.ac.id/index.php/jtev/index
Volume 06  Number 01  2020 ISSN: 2302-3309
Received August 08, 2019; Revised December 30, 2019; Accepted January 25, 2019

## Sistem  Pengendali  Tegangan  Berbasis  Mikrokontroler  Arduino UNO
Muhammad Kevin 1* , Aswardi 2
Universitas Negeri Padang *Corresponding author, e-mail: muhammadkevin_2510@gmail.com

## Abstrak
Perkembangan  teknologi  saat  ini  sangatlah  begitu  pesat  hampir  disegala  bidang.  Bermunculannya perangkat  listrik  mulai  dari  sistem  kontrol  digital  dan  otomatis  menandai  peastya  kemajuan  di  bidang teknologi. Dalam system  tenaga listrik Tegangan DC atau searah, sekarang banyak digunakan sebagai sumber daya untuk pemakaian perangkat listrik. namun sumber tegangan yang tersedia dari PLN Berupa tegangan  AC  220V,  maka  diperlukan  suatu  alat  untuk  mendapatkan  tegangan  keluaran  Tegangan  DC yang diinginkan yang lebih stabil. Untuk Mendapatkan tegangan DC maka disearahkanlah Tegangan AC Tersebut dengan komponen semi konduktor seperti diode, thyristor, mosfet dan lain lain. Tegangan DC yang sudah sudah di saring ini dapat berubah nilainya jika tegangan di sumbernya juga berubah. Maka dibuatlah suatu alat pengendalian tegangan keluarannya, sehingga peralatan perangkat listrik yang kita pasang bekerja sesuai dengan kemampuanya. Pada alat ini menerapkan DC-DC converter dengan metoda Boost  converter ,  rangkaian  boost  converter  sebagai  penaik  tegangan  keluaran.  Untuk  mendapatkan tegangan  keluaran  yang  diinginkan  tersebut  maka  dibuatlah  sebuah  alat  pengontrol  tegangan  yang  di kontrol melalui arduino uno, alat ini bekerja dengan mengatur set point tegangan keluaran mulai dari 100 vdc – 150 vdc dengan beban sekitar 0,5 A -1 A yang diiginkan melalui keypad. Dengan nilai (Vout) yang mencapai 149,6 V dan arus (Iout) 0.45 A membuat nilai efisiensi cukup tinggi yaitu sekitar 69,5%.
Kata kunci: Boost converter; Arduino uno; Keypad.

## Abstract
Nowadays,  the  world  of  technology  is  developing  rapidly  in  all  fields.  The  emergence  of  Electrical divices ranging from digital control systems and automatically marks the importance of advances in technology. In DC power system or direct voltage, now widely used as a power source for the use of electrical devices. But the voltage source available from PLN in the form of AC voltage 220V, then we need a device to get the desired output voltage DC voltage which is more stable. To get the DC voltage then the AC Voltage rectified with semi-conductor components such as diodes, thyristor, mosfets and others. This filtered DC voltage can change in value if the voltage at the source also changes. Then made an output voltage control tool, so that the electrical equipment that we install works according to  its  ability. In  this  tool  applies  a  DC-DC  converter  with  the  Boost  converter  method,  the  boost converter  circuit  as  an  increase  in  the  output  voltage..  To  get  the  desired  output  voltage,  a  voltage control device is controlled through Arduino Uno, this tool works by regulating the set point output voltage starting from 100VDC-150VDC whith a load of about 0.5 A – 1 A which is desired through the keypad. With a value (Vout) of 149.6V and current (Iout) of 0.45 A, the efficiency value is quite high at around 69,5%
Keywords : Boost converter; Arduino uno; Keypad.

## PENDAHULUAN
Pada  saat  ini  perkembangan  penduduk  dan  kebutuhan  sejalan  peningkatannya  yang membuat ketersediaan energi menjadi menipis dan akan habis jika tidak ada solusinya. Energi alternative adalah  jalan  satu-satunya  untuk  masalah  kurangnya  energi,  salah  satunya  yaitu energi terbarukan. Potensi energi terbarukan seperti biomassa, panas bumi, energi surya, energi air,  dan  energi  angin  sampai  saat  ini  belum  banyak  dimanfaatkan,  padahal  potensi  energi terbarukan di Indonesia sangat besar [1].
Sehingga  dengan  perkembangan  teknologi  pada  saat  ini,  Berbagai  bentuk  pengontrolan tegangan DC yang digunakan diantaranya pengontrolan manual, semi-otomatis dan otomatis. Pada  pengotrolan  manual,  kontrol  tegangan  dilakukan  pada  saat  terjadi  perubahan  beban dengan cara mengatur langsung parameter-parameternya oleh operator. Alat boost converter yang penulis buat menggunakan system close loop atau loop tertutup [2]. Pada dc-dc converter , tegangan keluaran dan arus masukannya masih terdapat sebuah ripple yang cukup besar. Ripple ini adalah sebuah problem yang akan mengurangi kinerja converter tersebut. Sehingga diperlukan metode perbaikan untuk mengurangi ripple pada boost converter tersebut  yaitu  dengan  menggunakan  teknik interleaved pada boost  converter .  Cara  ini  dapat mengurangi nilai ripple pada arus masukan dan tegangan keluarannya [3].
Untuk  pengontrolan  secara  semi-otomatis,  kontrol  tegangan  dapat  dilakukan  dengan  cara mengganti peranan operator dengan komponen lain yang bekerja sesuai dengan fungsi operator seperti menggunakan transistor, thyristor, mosfet dan lain-lain. Maka dari itu dibutuhkan cara untuk mendapatkan daya maksimum yang dapat dihasilkan oleh sumber energi, salah satunya menerapkan DC-DC converter dengan metoda Boost converter [4].
Berdasarkan masalah yang terjadi, maka dalam penelitian ini digunakan konverter daya. Konverter daya yang digunakan yaitu boost converter . Karena hal tersebut, maka dapat dibuat suatu alat pada tugas akhir ini yaitu sebuah alat yang berfungsi sebagai menaikkan tegangan input agar dapat mengendalikan tegangan keluaran yang konstan untuk peralatan perangkat listrik.
Dalam pengontrolan tegangan keluran digunakan keypad supaya dalam mengatur tegangan keluaran  dapat  dengan  lebih  mudah.  Dengan  menggunakan  alat  ini dapat  mempertahankan tegangan  keluran  sesuai  dengan  kebutuhan  perangkat  listrik  yang  digunakan,  yang berpengaruh pada efisiensi perangkat listik tersebut.

## STUDI PUSTAKA

## Boost Converter
Pada boost  converter atau    dc  dc  konverter,  tegangan  keluaran  dc  rata-rata  nya  harus dikontrol agar sesuai dengan tingkat yang diinginkan, meskipun tegangan masukan dan beban keluarannya dapat berubah-ubah[5].
Converter jenis boost merupakan  jenis converter yang  banyak  digunakan  dalam  industri catu-daya. Converter ini akan mengkonversikan tegangan dc masukan menjadi tegangan dc lain menjadi lebih tinggi ( converter penaik tegangan).
Nilai rata-rata tegangan keluaran converter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar  terhadap periode penyaklarannya (faktor kerja). Nilai faktor kerja bisa diubah dari nol sampai satu. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan keluaran selalu lebih tinggi dibanding tegangan masukannya.
Gambar 1. Rangkaian Konverter Boost (Rashid, 2001)

## Gambar 2. Bentuk gelombang
(Rashid, 2001)
Prinsip  kerja Konverter  Boost ada 2 mode  yaitu mode 1 dan mode 2. Mode 1 adalah ketika saklar pada rangkaian Konverter Boost tertutup , sedangkan pada mode 2 saklar berada pada posisi terbuka.
a. Mode 1
Gambar 3. Boost Converter saat saklar tertutup (Agus, 2017)
Ketika saklar dalam kondisi tertutup pada, arus akan mengalir dari sumber menuju induktor dan akan terjadi peningkatan pada arus induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor akan naik. Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif  dibandingkan sisi kanannya.
b. Mode 2
Gambar 4. Boost Converter saat saklar terbuka (Agus, 2017)
Sedangkan di saat saklar dalam kondisi terbuka pada t=t, arus pada induktor akan mengalir melewati dioda menuju beban, sehingga energi yang tersimpan pada induktor selama kondisi tertutup akan turun sampai saklar menutup (on) kembali pada siklus berikutnya [6].
Arus  yang  disimpan  di  induktor  akan  berkurang  karena  impedansi  yang  lebih  tinggi. Berkurangnya arus pada induktor menyebabkan induktor tersebut membalik polaritasnya (lebih negatif  pada  sisi  kiri).Sehingga  arus  yang  mengalir  pada  dioda  dan  pada  beban  adalah penjumlahan  antara  arus  pada  sumber  dan  arus  pada  induktor  (seri).  Disaat  yang  bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya DC-DC  Converter  tipe  Boost  memiliki  keluaran  yang  lebih  tinggi  dibandingkan  dengan masukannya.
Kondisi ini yang menyebabkan tegangan keluaran menjadi lebih besar dibandingkan dengan tegangan masukannya.
𝑉 𝐿 = 𝐿 𝑑 𝑖 𝑑 𝑡 ............................................................ (1)
Hal tersebut memberikan perubahan arus pada induktor sebesar:
Δ I 𝑉𝑠 𝐿 𝑡 1 ............................................................... (2)
Besarnya tegangan keluaran adalah sebesar :
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 𝑆 + 𝑉 𝐿 .................................................. (3)
Sehingga :
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 𝑆 + 𝐿 ∆𝐼 𝑡2 ................................................ (4)
Dari persamaan 2 dan 3 tegangan keluaran yang diperoleh adalah:
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 𝑆 (1 + 𝑡 1 𝑡 2 ) Bila t 1+ t 2 adalah periode pensaklaran T dan t 1 /T adalah duty cycle pensaklaran K, maka tegangan keluaran dapat dilihat pada persamaan (5) [6].
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 𝑆 1 1−𝐾 .................................................... (5)
Dimana:
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = tegangan output (Volt) 𝑉𝑠 = tegangan sumber (Volt) K   = duty cycle (%)

## Mikrokontroler Atmega 328
Pada tugas akhir ini Arduino yang digunakan menggunakan ATMega 328. Pada umumnya posisi pin pada ATMega 328 atau letak posisi input dan outputnya posisinya sama dengan letak input dan output pin Arduino yang mempunyai 14 pim digital yang dapat diatur sebagai input dan  output.  Serta  beberapa  diantaranya  mempunya  fungsi  ganda.  Gambar  5  menunjukkan bentuk Arduino Uno.
Gambar 5. Arduino Uno (Adrianto & Darmawan, 2016)
Secara umum posisi atau letak pin-pin terminal I/O pada berbagai board Arduino posisinya sama dengan posisi/ letak pin-pin terminal I/O dari Arduino Uno yang mempunyai 14 pin digital yang dapat di set sebagai Inpu/ Output (beberpa diantaranya mempunyai fungsi ganda), 6 pin input analog. Pada Arduimo Uno mempunyai flash memori 32 KB dengan  0.5 KB digunakan untuk bootloader, 2 KB SRAM dan 1 KB EEPROM.

## Bahasa Pemograman Arduino Berbasis C
Sturktur pemogramman dari Arduino cukup mudah yang terdiri dari dua bagian dan fungsi, yaitu  fungsi  persiapan  ( Setup ())  dan  fungsi  utama  ( Loop ()).  Fungsi Setup ()  digunakan  untuk mendefenisikan variabel-variabel yang digunakan dalam program. Fungsi ini berjalan petama kali  ketika  program  dijalankan,  selanjutnya  Loop()  adalah  program  inti/utama  dari  Arduino yang  djalankan  secara  terus  menerus  baik  pembacaan input maupun  pengaktifan  output. Program adalah inti dari semua program dalam Arduino[7].
Pada  Arduino  terdapat  variabel,  Variabel  didefenisikan  ekspresi  yang  digunakan  untuk mewakili  suatu  nilai  yang  digunakan  salam  program.  Suatu  variabel  akan  menampung  nilai sesuai  dengan  defenisi  yang  dibuat.  Variabel  terdapat  2  macam  yaitu  Variabel  global  dan variabel local. Variabel Global adalah variabel yang digunakan oleh semua fungsi dan instruksi dalam  program.  Sedangkan  variabel  local  adalah  variabel  yang  didefenisikan  suatu  fungsi didalam fungsi loop. Variabel ini hanya dapat dilihat dan digunakan dalam fungsi tersebut. Tipe data dari variabel  terdiri dari 4 macam yaitu tipe data byte, tipe data int, tipe data long dan tipe data float.

## Keypad
Keypad  merupakan Human  Machine  Interface  atau disingkat  HMI  yang  artinya  yaitu perantara  antara  manusia  dan  mesin,  Bentuk  dari  keypad  yaitu  seperti  matrix  4x4.  Ini merupakan sebuah contoh keypad yang biasa digunakan dalam komunikasi antara manusia dan mikrokontroller. Konfigurasi Keypad dengan susunan bentuk matrix seperti ini bertujuan untuk penghematan microcontroller karena jumlah tombol yang dibutuhkan banyak pada suatu system mikrokontroller [9]. Bentuk gambaran keypad dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Keypad

## PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT
Langkah  pertama  dalam  perancangan  alat,  dibutuhkan  metode  perancangan  alat.  Pada bagian ini akan dibahas secara ringkas mengenai perancangan dan proses pembuatan alat sistem pengendalian tegangan berbasis mikrokontroler arduino uno.

## Blok Diagram
Blok diagram dibuat untuk memahami prinsip kerja dari alat yang akan dirancang. Blok diagram adalah sebuah rangkaian rancangan sistem alat yang mennggambarkan masukkan dan keluaran dari cara kerja alat yang dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Blok Diagram
Tujuan dari perancangan alat ini adalah untuk mengatur tegangan keluaran sesuai yang kita inginkan hanya dengan meng input kan nya melalui keypad .jika peralatan listrik membutuhkan tegangan  yang  lebih  besar  dapat  dengan  mudah  diatur  kembali  dengan  meresetnya  melalui keypad dan meng input kan kembali tegangan keluaran yang dinginkan.jadi dengan alat ini akan lebih  efisien  mendapatkan  tegangan  keluaran  yang  diinginkan.pada  tugas  akhir  ini  tegangan kelurannya yaitu 55VDC-220VDC.

## Cara Kerja Alat
Prinsip  kerja  alat  dimulai  menginputkan  tegangan  dari power  pack dengan  55  VDC. Selanjutnya  proses  input  tengangan  keluaran  yang  di  atur  melalui  keypad,  disini  tengangan yang diinginkan yaitu 55 VDC – 220 VDC. Proses input tegangan dc dari power pack sebesar 55 VDC akan masuk ke rangkaian boost converter. Rangkaian boost converter untuk menaikan
tegangan  55  VDC  –  220  VDC.  Tengangan  yang  diterima  tersebut  akan  diubah  dengan memanfatkan lilitan troid. Lilitan ini akan menghasilkan induksi yang akan membuat tegangan melonjak  sehingga  tegangan  yang  dihasilkan  akan  lebih  tinggi  dari  tegangan input .  Arduino uno  disini  berfungsi  sebagai  pengontrol  kerja  alat,  sementara  sensor  arus  dan  tegangan mendeteksi besarnya  arus  dan tegangan keluar  yang dapat  dilihat melalui  LCD.  Untuk lebih jelas prinsip kerja alat dapat dijelaskan melalui Flowchart pada Gambar 8.
Pada saat  dijalankan,  alat  dimulai dengan start, selanjutnya inisialisai  program  setelah itu lanjut ke menampilkaan Tampilan Awal ke LCD. Prsoses selanjutnya input set point tegangan menggunakan keypad, maka lcd akan menampilkan nilai tegangan dan nilai arus output. Jika tegangan  output  kecil  dari  set  point?,  maka  Tampilkan  tegangan  dan  arus,  jika  tidak  maka masuk  proses  pembacaan  ulang  alat.  Jika  terjadi  proses  proses  ulang  ?  maka  masuk  lagi mengiputkan set point tegangan. Jika tidak maka program berhenti.

## Rangkaian Keseluruhan
Pada rangkaian keseluruhan, terdapat semua rangkaian elektronika yang digunakan dalam pembuatan alat yaitu sensor tegangan, sensor arus , rangkaian boost converter , rangkaian catu daya,  keypad  dan  rangkaian  mikrokontroler  Atmega  328.  Pada  Gambar  9  menunjukkan rangkaian keseluruhan alat yang digunakan.
Gambar 9. Rangkaian Keseluruhan

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada hasil dan pembahasan akan dilakukan beberapa pengujian dan analisa pada keseluruhan bagian input dan output. Analisa akan dilakukan guna mengetahui apakah alat berfungsi dengan baik sebagai input dan sesuai dengan yang telah direncanakan.

## Pengujian Pengukuran Tegangan Pada Rangkaian ATMega328
Rangkaian  sistem  minimum  mikrokontroler  ATMega  328  ini  dapat  diukur  dengan  cara menguji nilai tegangan logika low (0) dan nilai tegangan logika high (1).
Gambar 10. Titik Pengujian ATMega 328
Tabel 1. Pengujian pengukuran Tegangan pada Atmega 328
Logika Pin Tegangan Pada Pin Mikrokontroler ATMega 328 Low (0) 0.196 Vdc High (1) 4.96 Vdc
Hasil pengujian pengukuran tegangan pada Atmega 328 dapat dilihat pada Tabel 1. Dari hasil pengujian  didapatkan  nilai  logika  low  (0)  sebesar  0.196  Vdc  dan  logika  high  (1)  bernilai tegangan  4.9  Vdc.  Pengujian  ini  menunjukan  mikrokontroler  ideal  bekerja  karena  tegangan kerja logika high (1) yaitu antara 4.5 Vdc hingga 5.5 Vdc.

## Pengujian Boost converter
Pengujian boost  converter digunakan  untuk  mengetahui  proses  respon  Converter terhadap perubahan setpoint input nya. Pengujian ini untuk mengetahui karakteristik tegangan keluaran berserta efisiensi daya dari boost converter .
Gambar 9. Rangkaian Pengukuran Boost Converter
D IG IT A L ( ~ P W M ) A N A L O G I N A T M E G A 3 2 8 P -P U 1 1 2 1 ~ ~ ~ ~ ~ ~ TX RX PD0/RXD 0 PD1/TXD 1 PD2/INT0 2 PD3/INT1 3 PD4/T0/XCK 4 PD5/T1 5 PD6/AIN0 6 PD7/AIN1 7 PB0/ICP1/CLKO 8 PB1/OC1A 9 PB2/SS/OC1B 10 PB3/MOSI/OC2A 11 PB4/MISO 12 PB5/SCK 13 AREF PC5/ADC5/SCL A5 PC4/ADC4/SDA A4 PC3/ADC3 A3 PC2/ADC2 A2 PC1/ADC1 A1 PC0/ADC0 A0 RESET ARD1 ARDUINO UNO R3 +88.8 Volts +88.8 Volts
Pengujian dilakukan dengan tengangan masukan dari power pack dengan tengangan 55 volt  dengan  diberikan  beban  rheostat.  Sedangkan  frekuensi  switching  yang  diujikan  sebesar 62,5 KHz. Hasil pengujian boost converter pada set Vout 100 -150 V dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil Pengujian boost converter pada set Vout 100-150 V. Set Vout Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) 100 55,8 1,16 98,8 0,20 110 55,5 1,27 109,2 0,29 120 54,6 1,49 120,4 0,30 130 54,0 1,62 130,2 0,35 140 53,4 1,78 140,2 0,40 150 53,0 2,0 149,6 0,45
Pada pengujian berbeban menggunakan shunt rheostat sebagai beban dengan menentukan arus  beban  maksimal  0,5  A  maka  dapat  dilihat  nilai  efisiensi  dari  perbandingan  antara  daya beban dengan daya masukan sumber yang dapat dilihat pada Tabel 2 di bawah ini.
Tabel 2. Hasil perhitungan daya dan efisiensi Set Vout Pin (W) Pout (W) η (%) 100 63,8 19,76 30,98 110 70,48 31,67 44,93 120 81,359 36,12 49,59 130 87,48 45,57 52,09 140 90,052 63,09 66,41 150 106 67,32 69,5
Dari  data  yang  telah  di  dapatkan  disaat  pengujian,  dapat  di  analisa  yaitu  tegangan keluarannya,  dimana  tegangan  keluarannya  lebih  besar  dari  tegangan  masukannya,  serta efisiensinya, pada set point yang berbeda dengan beban yang sama nilai efisiensinya cendrung mengalami kenaikan.dapat dilihat dari tabel diatas .nilai efisiensi tergantung dari Vout dan Iout jika nilai Vout dan Iout nya besar maka nilai efisiensi akan besar.dan sebaliknya.

## PENUTUP
Berdasarkan  hasil  pengujian  dan  analisa  yang  dilakukan  pada  penelitian  sistem pengendalian  tegangan  berbasis  mikrokontroler  arduino  uno  yang  telah  dilakukan  dapat disimpulkan  bahwa alat pengendali tegangan keluaran ini dapat berkerja lebih efisien dalam memberikan  tegangan  keluaran  yang  diinginkan  sesuai  sesuai  kebutuhan  perangkat  listrik. Dengan nilai  (Vout)  yang mencapai  149,6 V dan arus  (Iout) 0.45 A membuat  nilai  efisiensi cukup tinggi yaitu sekitar 69,5%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Shaufi  Fiqri. Studi  Potensi  PembangkitLlistrik  Tenaga  Mikro  Hidro  (PLTMH)  Berbantuan  Program Casimer Di Riam Pagung Desa Sanatab Kecamatan Sajingan Besar . Pontianak, Desember 2011.
[2] Bolton,W. Sistem Instrumentasi Dan Sistem Kontrol . Jakarta:Erlangga, Mei 2006.
[3] Mazta,M.A, dkk. Rancang Bangun Interleaved Boost converterBerbasis Arduino . Bandar Lampung , Mei 2016.
[4] Abdul  Rohim,  Moh. Interleaved  DC-DC  Boost  Converter  With  Small  Input  Voltage .  Bandar  Lampung 2016.
[5] Mohan, Ned, dkk. Power Electronics Converter,Aplication and Design . Canada: John Wiley & Sons, Inc, 1995.
[6] M. H. Rashid. Power Electronics:Circuit, Devices and Applications . Prentice Hall, 2001.
[7] Andrianto dan Darman. Matriks Persamaan Linear dan Pemograman Linear . Jakarta 2016.
[8] Ogata, Katsuhiko. Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan) . Jakarta: Edi Leksono, 1085.
[9] Hernando Barrangan, dkk. Modul Hardware Arduino(Wiring Platform). Januari 2011.
[10] Helmi Guntoro,dkk. Rancang Bangun Magnetic Door Lock Menggunakan Keypad dan Selenoid Berbasis Mikrocontroller Arduino Uno, Maret 2013.

## Biodata Penulis
Muhammad Kevin , lahir di Batusangkar, 25 Oktober 1996. Menyelesaikan studi DIV Teknik Elektro Industri pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Padang.
Dr. Aswardi, M.T, dilahirkan di Kubang Putih Agam, 21 Februari 1959. S1 Pendidikan Teknik Elektro di  Universitas  Negeri  Padang  lulus  pada  tahun  1983.  S2  Pendidikan  Teknik  Elektro  di  Universitas Negeri Padang lulus pada tahun 1985. Staf pengajar pada jurusan Teknik Elektro FT UNP – Sekarang.