## RANCANG  BANGUN DAN PROTEKSI INVERTER  PURE
SINE WAVE SPWM 500 WATT

## BERBASIS MIKROKONTROLER MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC

## Wafiq Safaroz
1 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya; Jl. Teknik Kimia, Kampus ITS Sukolilo, Surabaya, Jawa Timur;
Riwayat artikel: Received: 3 Juli 2023 Accepted: 30 Juli 2023 Published: 1 Agustus 2023

## Keywords:
Inverter ; Pure Sine Wave ; SPWM; Esp32; Fuzzy Logic.
Corespondent Email: wafiksafaros@gmail.com
Abstrak. Pengaplikasian elektronika daya semakin berkembang seperti  pada sistem  DC to AC converter atau  sering  disebut  ( Inverter ).  Sistem inverter memanfaatkan  sumber  tegangan  DC  yang  dihasilkan  oleh  baterai, power supply atau  sumber  tegangan  DC  lainnya,  yang  nantinya  akan  dikonversi menjadi  tegangan  AC  oleh inverter .  Seiring  berkembangnya  penggunaan mikrokontrol sebagai driver penghasil sinyal PWM pada inverter mendorong kita  untuk  terus  melakukan  pengembangan.  Salah  satu  pengembangan  dari mikrokontroler  yaitu  ESP32.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menghasilkan sebuah  inverter  satu  fasa  dengan  gelombang output pure  sine  wave menggunakan  driver  ESP32  sebagai  pembangkit  sinyal  SPWM.  Selain  itu untuk  memaksimalkan  kinerja  dari inverter perlunya  penambahan  sistem proteksi  agar  dapat  mengurangi  resiko  kerusakan  pada inverter ataupun beban. Penggunaan metode fuzzy digunakan untuk menstabilkan tegangan.
Abstract. The application of power electronics is growing as in the DC to AC converter system or often called (Inverter). The inverter system utilizes a DC voltage  source  generated  by  a  battery,  power  supply  or  other  DC  voltage source,  which  will  later  be  converted  to  AC  voltage  by  the  inverter.  As  the development of the use of microcontrollers as a driver for generating PWM signals  on  inverters  encourages  us  to  continue  to  develop.  One  of  the developments of the microcontroller is ESP32. This study aims to produce a single-phase inverter with a pure sine wave output using the ESP32 driver as the SPWM signal generator. Besides that, to maximize the performance of the inverter, it is necessary to add a protection system in order to reduce the risk of damage to the inverter or the load. The use of the fuzzy method is used to stabilize the voltage.
.

## 1. PENDAHULUAN
Secara  umum,  elektronik  daya  atau power elektronik adalah proses menggunakan perangkat switching semikonduktor  untuk mengontrol  dan  mengubah  aliran  daya  listrik dari satu bentuk ke bentuk lain untuk memenuhi kebutuhan tertentu. Dengan kata lain, elektronika daya memungkinkan kontrol aliran daya  serta  bentuknya  ac  atau  dc  dan  besarnya arus  dan  tegangan.  Pengaplikasian  sistem elektronik daya atau power electr on ic di bidang kelistrikan  diantaranya  ada  sistem  AC to AC
controller ,  AC to DC Converter ,  DC to DC Converter , dan DC to AC Converter atau sering disebut dengan istilah ( Inverter ).
Power Inverter merupakan suatu perangkat elektronik yang dipergunakan untuk mengubah tegangan  DC  ( Direct  Current )  menjadi tegangan  AC  ( Alternating  Curent .  Pengaturan tegangan  di  dalam inverter dikenal  sebagai Modulasi Lebar Pulsa ( Pulse Width
Modulati on,  PWM) Output suatu inverter dapat  berupa  tegangan  AC  dengan  bentuk gelombang  kotak  ( square  wave )  dan  sinus
JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan) pISSN: 2303-0577 eISSN: 2830-7062
modifikasi ( sine wave modified ), sinus ( Pure Sine Wave ). Jenis gelombang Pure Sine Wave merupakan  tipe inverter yang  menghasilkan Output gelombang sinus murni.
Metode pensaklaran atau switching frequensi  ada  2  yaitu  metode  PWM (  Pulse Wide  Modulati on  )  yang  biasa  digunakan  dan ada  yang  menggunakan  metode  SPWM  ( Sinusoidal  Pulse  Wide  Modulati on  )  adalah teknik modulasi baru pengembangan dari PWM yang  akhir-akhir  ini  sering  digunakan  untuk mengontrol  komponen  semikonduktor  pada inverter .  SPWM  ini  diperoleh  dengan  cara membandingkan gelombang sinusoidal dengan gelombang carrier yang  berupa  gelombang segitiga.  Metode  pensaklaran  terus mengalami pengembangan salah satunya yaitu menggunakan mikrokontroler sebagai pembangkit  sinyal  pada  driver  inverter. Mikrokontroler juga terus mengalami pengembangan salah satunya yaitu ESP32.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Penelitian Terkait
Berdasarkan  penelitian  yang  dilakukan dengan  judul  “Pembangkit  Sinyal  SPWM Berbasis Arduino” [1] . pada penelitian ini dapat diketahui  bahwa Output berupa  gelombang SPWM,  di  dapatkan  dari output frekuensi arduino  uno  yang  diatur  menjadi  10  KHz  lalu terdapat IRF9540 dan IRF540 berfungsi untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC kecil 12 VAC kemudian terdapat trafo Step Up berfungsi untuk menaikan tegangan 220 VAC. Telah  berhasil  dirancang  sebuah inverter    full bridge 1 phasa dengan input 12 VDC dan output 107VAC  tanpa  beban,  dan  ketika  ada  beban output tegangan menjadi 81VAC. Kekurangan dari penelitian ini yaitu optocoupler pc817 tidak dapat  menerima  frekuensi  PWM  lebih  dari 1KHz,sehingga  tidak  dapat  menampilkan gelombang  sinus  pada osiloscope selain  itu belum  adanya  sistem  proteksi  dan  rangkaian feedback .

## 2.2. PWM
PWM  ( Pulse  Widht  Modulati on)  adalah sebuah  metode/teknik  memanipulasi  lebar sinyal  pulsa  ( duty  cylce )  dengan  nilai amplitudo(A)  dan  frekuensi(ƒ)  yang  tetap
dalam  suatu  periode,  agar  mendapatkan  rata- rata tegangan yang berbeda-beda. [2]

## 2.3. SPWM
SPWM ( Sinusoidal Pulse Wide Modulati on) adalah  teknik  modulasi  yang  paling  umum digunakan untuk mengontrol komponen semikonduktor  pada inverter .  SPWM  ini diperoleh dengan cara membandingkan gelombang sinusoid dengan gelombang carrier yang berupa gelombang segitiga [3] .

## 2.4. Inverter
Inverter adalah  perangkat  elektronika yang  bisa  mengubah  tegangan  DC  ( Direct Current )  menjadi  tegangan  AC  ( Alternating Current ) [4] . Inverter biasa  digunakan  pada pembangkit listrik ataupun pada sistem UPS. Input pada inverter berupa  tegangan  DC biasanya  berupa  baterai  aki, photofoltaic, generator dc dan sumber dc lainnya.

## 2.5. Full Bridge Inverter
Full bridge inverter adalah rangkaian dasar untuk mengubah dari DC ke AC dengan output gelombang penuh [5]

## 2.6. ESP32
ESP32  adalah  suatu  sistem  dengan  biaya yang  rendah  dan  mengkonsumsi  daya  yang relatif rendah pada seri chip (SoC) dengan Wi- Fi  &  kemampuan  Bluetooth  dua  mode.  Pada intinya,  terdapat  mikroprosesor  Tensilica Xtensa  LX6  dualcore  atau  single-core  dengan clock  rate  hingga  240  MHz.  ESP32  sudah terintegrasi  dengan  built-in  antenna  switches, RF  balun,  power  amplifier,  low-noise  receive amplifier,  filters,  and  power  management modules[6]

## 3. METODE PENELITIAN
Tahap  kerja  penyusunan  penelitian  ini dilakukan  dengan  terencana  yang  disajikan dalam bentuk diagram alir ( flowchart )

## 3.1. Flowchart Penelitian
Berikut merupakan flowchart penelitian yang dilakukan secara sistematis.
JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan) pISSN: 2303-0577 eISSN: 2830-7062
Mulai
Identifikasi Masalah dan Studi Literatur Analisah kebutuhan Desain dan Perencanaan sistem Pembuatan Hardware Pembuatan S oftware Integerasi Hardware dan S oftware Uji coba, Apakah alat bekerja? Pengambilan Data dan Analisah A A B C C Selesai B Pembuatan Laporan Tidak Ya Gambar 1 Flowchart penelitian
Pada  gambar  1  atau flowchart diatas menunjukkan bahwa pembuatan dan perancangan alat untuk Penelitian memerlukan alur penelitian yang terstruktur. Proses pertama yaitu  pengidentifikasian  masalah  Setelah masalah tersebut teridentifikasi tahap selanjutnya  yaitu  studi  literatur.Studi  literatur berfungsi untuk mencari solusi dan memahami permasalahan-permasalahan  lebih  mendalam tentang  topik  penelitian.  Setelah  memahami cara  untuk  menyelesaikan  masalah  langkah selanjutnya yaitu desain dan perancangan sitem. Pada  tahap  desain  dan  perancangan  sistem inilah  penentuan  komponen-komponen  yang dibutuhkan dan penerapan metode yang tepat.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1. Diagram Blok Sistem
Diagram blok sistem ini merupakan diagram yang  mewakili  gambaran  umum  sistem  yang akan  dibuat.  Sehingga  dalam  diagram  blok tersebut  menjadi  acuan  dan  pedoman  bagi penulis  untuk  menyelesaikan  penelitiannya. pada  gambar  3.2  merupakan  gambar  diagram blok  yang  akan  diimplementasikan  langsung agar pembuatan alat bisa tercapai.
Gambar 3 Diagram blok sistem Proses sistem kerja alat yaitu power supply 12  vdc  diturunkan  tegangan  nya  kemudian
digunakan  untuk  menyuplai  ESP32  sebagai penghasil  sinyal  unipolar  SPWM  dengan metode fuzzy. Sinyal spwm unipolar digunakan untuk melakukan proses switching pada mosfet inverter dengan feedback yang  dibaca  oleh sensor  tegangan.  Output  dari inverter berupa tegangan  rms  7.8v    Pada  7.8  vrms  akan dinaikkan menjadi 220 vac menggunakan trafo Step  Up menjadi  220  vac  sehingga  mampu menyuplai beban ac 220 v.

## 4.2. Perancangan Hardware
Perancangan hardware dibuat dengan tujuan untuk  menunjang  kinerja  sistem  yang  akan dibuat,  perancangan hardware pada  penelitian ini dibuat berdasarkan diagram blok sistem.
Gambar 2 Perancangan hardware
Perancangan  hardware  Prinsip  kerjanya yaitu input berupa power  supply 12  vdc kemudian  dibaca  oleh  sensor  tegangan  untuk mengetahui  nilai  tegangan  dari power  supply selain  itu  tegangan power  supply 12vdc  akan mengalir  menuju  regulator  tegangan. Output dari regulator tegangan akan menyuplai ESP32. Output dari  ESP32  berupa  sinyal  spwm kemudian    sinyal  spwm  tersebut  digunakan untuk  mengatur  mosfet.  Suhu  pada  MOSFET akan  dibaca  oleh  sensor  suhu  sebagai proteksi ketika  terjadi  panas  maka  akan  mengirimkan sinyal ke ESP32. Output dari MOSFET berupa tegangan  7.8vrms  kemudian  akan  di  filter menggunakan low pass filter sehingga keluaran gelombang  menjadi  lebih  stabil.  Keluaran gelombang dari low pass filter akan dinaikkan menjadi  ac  220 v menggunakan trafo Step  Up toroid. Setelah dinaikkan akan difilter kembali
JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan) pISSN: 2303-0577 eISSN: 2830-7062
dengan  rangkaian low  pass  filter setelah  itu output akan  dibaca  oleh  sensor  tegangan  dan arus kemudian akan diteruskan menuju ESP32 sebagai feedback untuk  menentukan  nilai duty cycle .  Ketika  terjadi  trouble  maka  sistem proteksi  akan  aktif  dan  akan  menghidupkan indikator led dan buzzer. Untuk nilai tegangan, arus dan daya akan ditampilkan ke LCD.

## 4.3. Simulasi Rangkaian Inverter
Simulasi matlab  bertujuan untuk mengetahui hasil  output  dari  inverter  full  bridge  unipolar spwm. Frekuensi carrier yang digunakan yaitu sebesar  20  khz  sedangkan  frekuensi  refrensi sebesar 50 hz. Di bawah ini merupakan gambar rangkain simulasi.
Gambar 4 Rangkaian simulasi full bridge
Hasil  dari  simulasi  rangkaian  diatas  yaitu sebagai berikut.
Gambar 5 Rangkaian output simulasi
Gambar  merupakan  keluaran  dari  simulasi matlab fulbridge spwm unipolar. Vpeak sebesar 12 V dengan frekuensi 50 HZ.

## 4.4. Simulasi Rangkaian Inverter
Proses Pembangkitan SPWM menggunakan ESP32  digunakan  untuk  mengetahui  cara membangkitkan  sinyal  SPWM  pada  ESP32. Langkah-langkah pembangkitan spwm menggunakan esp32 yaiutu sebagai berikut.
• Menentukan frekuensi dan perioda dari gelombang  refrensi  (sinus  )  yang
diinginkan  dengan  persamaan  sebagai berikut :
T= 1/f…………………….……………..(4.1) dimana : T = Perioda f = frekuensi gelombang sinus
• Menentukan perioda untuk setiap pulsa SPWM.  Perioda  setiap  pulsa  SPWM erat kaitannya dengan frekuensi carrier, maka dari itu perlu ditentukan frekuensi  carrier  yang  dipakai.  Pada tugas  akhir  ini  frekuensi  carrier  yang digunakan yaitu sebesar 20 khz.
• Menentukan  jumlah  pulsa    SPWM yang dihasilkan dengan cara membandingkan perioda sinyal refrensi dan sinyal carrier.
• Menentukan duty cycle per pulsa PWM .  Hal  ini  dapat  dilakukan  dengan menggunakan rumus sebagai berikut ; y = A sin (θ)……………………………..(4.2) dimana :
y = lebar duty cycle per pulsa PWM
A = amplitude gelombang pulsa[7]

## 4.5. Pengujian Rangkaian Full Bridge
Pengujian rangkaian full bridge yaitu untuk melihat  dan  menganalisa  hasil  tegangan  dan gelombang  pada  output  rangkaian  full  bridge apakah  sudah  sesuai  dengan  yang  diharapkan. Dibawah  ini  merupakan  hasil  pengujian menggunakan osiloskop.
Gambar 6 Output mosfet
Gambar  diatas  merupakan  hasil  output rangkaian  full  bridge  dimana  tegangan  output yang  diharapkan  yaitu  sebesar  10.8Vrms  pada hasil  pengujian  menggunakan  osiloskop  hasil dari output full brigde yaitu 7.85 Vrms.
JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan) pISSN: 2303-0577 eISSN: 2830-7062
Tabel. 1. Hasil output rangkaian full bridge Vp-p Voutput Frekuensi 24.05Vp-p 7.85VAC 50Hz
Dari  table  diatas  Voutput  pada rangkaian  full  bridge  yaitu  sebesar  7.85  Vrms dimana tegangan output yang diharapkan yaitu sebesar  10.8  Vrms.  Dimana  perhitungan  10.8 Vrms didapat daari perhitungan : 𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) =
[ 2 𝑇 ∫ 𝑉𝑠 2 . 𝑑𝑡] 1 2 𝑇𝑜 2
0 ………………….………..(4.3)
Dari  persamaan  4.1  dapat  dikembangkan menggunakan bentuk fourier :
Vo= ∑ 4𝑉𝑠 𝑛𝜋 ∞ 𝑚=1,2,3,. sin 𝑛𝜔𝑡 …….………….(4.4)
Vo= 4𝑉𝑠 √2𝜋 = 0,90𝑥𝑉𝑠 …………………………….……(4.5)
Dari persamaan 4.3 diketahui rumus menghitung tegangan  keluaran rms yaitu : Vo=0,90.Vs………………………..…….4.6) Dimana : Vo = Tegangan output rms Vs = Tegangan sumber (input) Diketahui : Tegangan input = 12 V Maka Vrms atau Vo = 0,90 x 12 = 10.8 Vrms Hasil pengujian diatas mengalami drop tegangan  sebesar  2.95.  Tegangan  keluaran inverter dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu sinyal  frekuensi  pembawa  dan  arus  yang mengalir pada sistem selain itu kurangnya input tegangan  pada  driver  IR2110  juga  dapat berpengaruh pada output rangkaian full bridge.

## 4.6. Pengujian Rangkaian Output Inverter Setelah Filter LC
Pengujian  filter low  pass  filter bertujuan untuk  mengetahui  output  inverter  setelah diberikan  filter.  Filter  LPF  yang  digunakan yaitu  filter  LC  .Penentuan  nilai  filter  yaitu berdasarkan  datasheet  dari  EGS002  dimana nilai  inductor  sebesar  3.3  mH  sedangkan  nilai kapasitor  sebesar  2.2uF.  Di  bawah  ini merupakan  hasil  output  inverter  setelah diberikan filter LC.
Gambar 7 Output setelah filter LPF
Dari  gambar  21  Output  gelombang  inverter setelah melalui filter LC berbentuk gelombang pure  sine  wave. Output  gelombang pure  sine wave kemudian akan dihubungkan menuju trafo toroid  agar  bisa  menjadi  tegangan  Ac  220  V. Berikut  ini  merupakan  tabel  hasil  pengujian output inverter dengan menggunakan filter LC.
Tabel. 2. Hasil output filter LC
No V max (v) Vp-p (v) Vrms (v) Frekuensi (Hz) 1. 10.45 20.50 7.25 50
Dari tabel diatas output yang di hasilkan sebesar 7,25  Vrms  dengan  frekuensi  50  hz.  Dimana output vrms yang diharapkan sebesar 8.5 vrms

## 4.7. Simulasi Rangkaian Inverter
Pengujian pembebanan tanpa metode menggunakan lampu sebagai beban . Langkahnya  yaitu  dengan  menghubungkan keluaran  trafo  menuju  beban-beban  secara bergantian . Pada pengujian pembebanan tanpa metode  sistem  proteksi  dimatikan  terlebih dahulu  dikarenakan  tegangan  akan  langsung mengalami  drop  ketika  diberikan  beban. Pengujian karakteristik metode fuzzy menggunakan  beban  utama  lampu.  Pada gambar  8  merupakan  hasil  pengujian  dengan beban lampu 10 watt.
JITET (Jurnal Informatika dan Teknik Elektro Terapan) pISSN: 2303-0577 eISSN: 2830-7062
Gambar 8 Output inverter beban 10 watt
Gambar 8 Output inverter beban 300 watt
Tabel.  3. Pengujian  output  trafo  sebelum  diberikan
metode fuzzy No  Beban Tegangan(V) Frekuensi (Hz) 1. Lampu 10 watt 211 50 2. Lampu 25 watt 200 50 3. Lampu 50 watt 185 50 4. Lampu 100 watt 175 50 5. Lampu 200 watt 138 50 6. Lampu 300 watt 103 50
Dari  table  diatas  tegangan  output mengalami  drop  sebesar  9  v  ketika  dibebani lampu  10  watt.  Pada  pembebanan  lampu  25 watt  inverter  mengalami  drop  sebesar  20  V. Tegangan akan semakin drop seiring penambahan beban
5. KESIMPULAN
1. Pembuatan driver inverter menggunakan esp32  memiliki  kelemahan  yaitu  output
pwm dari esp32 pada pengukuran secara real  sebesar  3.0  v  sedangkan  kebutuhan minimum  dari  driver  IR2110  pada inverter  yaitu  sebesar  3.3  v  sehingga menyebabkan output dari inverter mengalami drop tegangan. Untuk pengembangan selanjutnya yaitu pembuatan rangkaian driver menggunakan optocoupler atau penggabungan antara optocoupler dengan IR2110.
2. Setelah  penambahan  filter  LPF  output inverter  menjadi  sinus  murni    dengan frekuensi sebesar 50 Hz.
3. Pada  saat  pembebanan  tegangan  output inverter akan mengalami drop tegangan.
Semakin banyak nilai pembebanan maka output tegangan inverter juga mengalami drop tegangan.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Kami  mengucapkan  terima  kasih  kepada pihak-pihak  terkait  yang  telah  memberi dukungan terhadap penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Dinasti, S., Luqman, M., & Pracoyo, A. (2022). Pembangkit  Sinyal  SPWM  Berbasis  Arduino Uno. 9(9).
[2] Maa’amun,  F.  (2022).  No  Title.  Desain  Dan Implemetasi  Inverter  DC-AC  Satu  Fasa. https://eprints.umm.ac.id/89628/
[3]  Amrullah,  R.  A.,  Herwandi,  H.,  &  Pracoyo,  A. (2021).  Perancangan  Dan  Pembuatan  Inverter Pure  Sine  Wave  150WATT  Dengan  Feedback AC 220/50Hz Berbasis Mikrokontroller Arduino.  Jurnal  Elektronika  Dan  Otomasi Industri,8(2),96.https://doi.org/10.33795/elk.v8i 2.280
[4] Iskandar, M., & Minto, B. (2021).  RANCANG Bangun Inverter  Pure Sine Wave. 13.
[5] Denny.Alfani. (2018). Rancang Bangun Voltage Source  Inverter  Full-Bridge  Satu  Fasa  50  Hz. https://repository.its.ac.id/55344/
[6]  FAUZY,  F.,  2021. Rancang  Bangun  Alat Telemetri Parameter Pembangkit Listrik Tenaga Surya  Berbasis  IoT (Doctoral  dissertation, Universitas Hasanuddin).
[7]  Umar,  R.A.,  Adam,  K.B.  and  Aprillia,  B.S., 2021. Perancangan inverter tenaga surya on grid satu fasa. eProceedings of Engineering, 8(3).