## Kontrol Tegangan Inverter Full Bridge Satu Fasa Berbasis Arduino Uno R3 Menggunakan Kontrol PID

## Raka Aji Sukmayuwana
Sukmayuwana48@gmail.com
Universitas Jember Triwahju Hardianto

## Triwahju.teknik@unej.ac.id
Universitas Jember Widyono Hadi

## widyono@unej.ac.id
Universitas Jember
Abstrak
Resiko  gangguan  pada  system  jaringan  listrik  semakin meningkat diakibatkan semakin bertambahnya konsumsi energi listrik.  Jika  gangguan  pada  system  jaringan  terjadi  maka pemutusan  biasanya  dilakukan  oleh  PT.  PLN.  Kemajuan teknologi  memberikan  solusi  dengan  berkembangnya  ilmu elektronika  daya.  Mulai  ditemukan  rangkaian  yang  dapat merubah  listrik  DC  ke  AC.  Listrik  berjenis  AC  dapat dibangkitkan  melalui  listrik  DC  (Direct  Current)  atau  listrik bergelombang  searah.  Tahapan  untuk  mendapatkan  listrik  AC dari pembangkitan menggunakan listrik DC dapat menggunakan  sistem  pembalikan  kutup  dari  hasil  keluaran listrik  DC  yang  terhubung  dengan  beban.  Metode  tersebut disebut  dengan  inverter.  Penelitian  ini  menggunakan  inverter dengan  rangkaian full  bridge .  Sumber  tegangan  inverter menggunakan baterai 12 Volt dengan kapasitas 7,2 Ah. Arduino Uno  R3  digunakan  sebagai  kontrol switching rangkaian full bridge dan  menjaga  kestabilan  tegangan  dengan  menggunakan PID. Setelah rangkaian inverter full bridge, tegangan dinaikan ke 220 Volt dengan menggunakan transformator. Dengan menggunakan  metode  SPWM  ( Sine  Pulse  Width  Modulation) pembagian  gelombang  frekuensi  pada  inverter  sebesar  50  Hz. Kemudian  dilakukan  pengontrolan  PID  karena  terjadinya penurunan  tegangan  setelah  keluaran  dari  transformator. Besaran  nilai  Kp,  Ki,  dan  Kd  yang  digunakan  adalah  0,068, 0,001  dan 0,04.  Tegangan  output  inverter  mampu dijaga  hingga tetap  stabil  sebesar  200v-220v.  Efisiensi  sistem  inverter  secara keseluran adalah 79,319%
Kata Kunci —  Inverter, Mikrokontroler, Full Bridge, Sine Pulse Width Modulation, PID

## Abstract
The risk of disruption to the electricity network system increases due to the increasing consumption of electricity. If a disruption in the network system occurs, the termination is usually carried out by PT. PLN. Technological advancements provide solutions with the development of power electronics. Start to find a circuit that can  convert  DC  electricity  to  AC.  AC  type  electricity  can  be generated  via  DC  electricity  (Direct  Current)  or  unidirectional corrugated  electricity.  The  stage  for  obtaining  AC  electricity from  generation  using  DC  electricity  can  use  a  closed  reversal system  from  DC  electricity  output  connected  to  the  load.  This method  is  called  an  inverter.  This  study  uses  an  inverter  with  a full  bridge  circuit.  The  inverter  voltage  source  uses  a  12  Volt
battery  with  a  capacity  of  7.2  Ah.  Arduino  Uno  R3  is  used  as  a control of a full bridge switching circuit and maintaining voltage stability  using  PID.  After  a  full  bridge  inverter  circuit,  the voltage is increased to 220 volts using a transformer. By using the SPWM  method  (Sine  Pulse  Width  Modulation)  the  distribution of frequency waves on the inverter is 50 Hz. Then PID control is carried  out  because  of  the  voltage  drop  after  the  output  of  the transformer. The values of Kp, Ki, and Kd used are 0.068, 0.001 and 0.04. The inverter's output voltage can be maintained until it remains stable at 200v-220v. The efficiency of the inverter system is 79.319%
Keywords — Inverter, Mikrokontroler, Full Bridge, Sine Pulse Width Modulation, PID

## I. PENDAHULUAN
Penggunaan listrik AC banyak digunakan oleh masyarakat karena  pada  awal  adanya  listrik  di  indonesia  adalah  listrik berjenis  Alternating  Current  atau  listrik  arus  bolak-balik. Listrik  berjenis  AC  dapat  dibangkitkan  melalui  listrik  DC (Direct  Current)  atau  listrik  bergelombang  searah.  Tahapan untuk mendapatkan listrik AC dari pembangkitan menggunakan  listrik  DC  dapat  menggunakan  sistem pembalikan  kutup  dari  hasil  keluaran  listrik  DC  yang terhubung  dengan  beban.  Metode  tersebut  disebut  dengan inverter.
Inverter  adalah  suatu  alat  yang  dapat  mengubah  tegangan bolak-balik  menjadi  tegangan  searah  dengan  frekuensi  dan tingkat tegangan yang dapat diatur. Rangkaian inverter terdiri dari  tiga  bagian,  bagian  pertama  sebuah  rangkaian  yang terbentuk  dari  rangkaian  konverter  yang  mengubah  sumber tegangan  bolak-balik  jala-jala  menjadi  tegangan  searah  dan menghilangkan riak pada keluaran tegangan searah ini. Bagian kedua  adalah  rangkaian  inverter  yang  mengubah  tegangan searah  menjadi  tegangan  bolak-balik  satu  fasa  dengan frekuensi  beragam.  Kedua  rangkaian  ini  disebut  rangkaian utama.  Bagian  yang  ketiga  adalah  sebuah  rangkaian  kontrol berfungsi  sebagai  pengendali  rangkaian  utama.  Gabungan keseluruhan rangkaian ini disebut unit inverter.
Salah  satu  permasalahan  yang  dihadapi  pada  perangkaian inverter  adalah  tegangan  yang  dihasilkan  tidak mencapai 220
V  atau  melebihi  220  V  dalam  keadaan  tak  berbeban. Kemudian,  terdapatnya  ripple  pada  sinyal  sinusoidal mengakibatkan gelombang tidak menyerupai gelombang sinus dan  puncak  bagian  gelombang  mengalami  penurunan. Pengaturan  tegangan  bertujuan  agar  jika  terjadi  penurunan atau  penaikan  tegangan  keluaran  dari  system  tetep  terjaga sesuai ratingnya 220 V.

## II. M ETODE P ENELITIAN

## A. Diagram Blok Penelitian
Rancang  bangun  inverter  ini  terdapat  dua  rangkaian  yaitu rangkaian power supply mikrokomtroler dan rangkaian driver inverter. Feedback system  kontrol  dilakukan  setelah  proses inverting tegangan 12 Vdc menjadi 12 Vac.
Untuk  memudahkan  proses  switching  pada  setiap  1  pin Arduino  uno  R3  dihubungkan  dengan  2  buah  mosfet.  Pada rangkaian full bridge ini menggunakan 4 buah mosfet. Skema rangkaian  pada  Gambar  2  menunjukkan  rangkaian  inverter secara  menyeluruh.  Dimulai  dari  mkirkontroler  Arduino  R3, driver mosfet, rangkaian full bridge 1 fasa, low pass filter dan transformator.
Gbr. 1 Diagram Blok
Gbr. 2 Skema Rangkaian

## B. Smart Sine dan Penentuan Gelombang Modified
Penggunaan  aplikasi  smart  sine  ini  bentujuan  untuk mengkonversi  nilai  dari  gelombang  sinus  yang  diinginkan menjadi  beberapa  sampel  untuk  dijadikan  bilangan  ADC (Analog  Digital  Converter).  Hasil  dari  konverter  dijadikan data  untuk  melakukan  pemrograman  untuk  menentukan  nilai PWM yang dibangkitkan.
Pada  pembuatan  rancang  bangun  inverter  satu  fasa  ini menggunakan  pin  9  dan  10 yang  nantinya  akan  dihubungkan dengan driver mosfet.  Mikrokontroler  arduino uno digunakan untuk  switching  mosfet  sehingga  dapat  menghasilkan gelombang  yang  menyerupai  sinus  atau  modified  sine  wave. Kecepatan switching arduino dirubah menjadi 10 kHz. Untuk mendapatkan  gelombang  sinus  dengan  frekuensi  50  Hz dengan  frekuensi  switching  10kHz  maka  pada  setiap  satu hertz gelombang sinus terdapat 200 gelombang PWM.
Gbr. 3 Software Smart Sine
Gbr. 4 Hasil Konversi
Gbr. 5 Modified Sinewave

## C. Perancangan Sensor Tegangan
Sensor  tegangan  berguna  untuk  mengukur  besar  nilai tegangan  output  dari  inverter.  Prinsip  kerja  dari  sensor tegangan yang digunakan yaitu menggunakan rumus pembagi tegangan dari dua buah resistor disusun seri yang mempunyai nilai resistansi berbeda.
Vout= R2/((R1+R2)) Vi (1)
dimana, Vout=Vin =12,72; R1 = 10k Ω
3 = (12,72 ×R2)/((10k+R2)) 3×(10k+R2) = 12,72×R2 30000 + 3R2= 12,72R2 30000= 14,72R2 R2=30000/14,72

## R2=2k2 Ω

## III. H ASIL DAN PE MBAHASAN

## A. Pengujian Sensor Tegangan
Analisa  ini  dilakukan  untuk  membandingkan  hasil pengukuran  yang  ditunjukkan  oleh  multimeter  dengan  sensor tegangan  yang  telah  dibuat.  Pengambilan  data  tegangan dilakuan dari range 0 Volt sampai 236 Volt.
Gbr. 6 Grafik Pengujian Sensor Tegangan
Pada  grafik  Gambar  6  dapat  dilihat  bahwa  dari  15  variasi tegangan  yang  diujikan  hasil  error  persen  adalah  0,928812% atau mendekati 1%.

## B. Pengujian Sensor Tegangan
Pengujian akhir  inverter  ini dilakukan dengan memberikan beban resistif dengan nilai yang bervariasi
Pada pengujian ini diketahui nilai frekuensi yang dihasilkan rata-rata  49,75Hz.  Nilai  tegangan  output  turun  sampai  170 Volt pada beban 52 watt.
Pada  kondisi  beban  5  Watt  sampai  dengan  52  Watt gelombang  masih  menyerupai  sinus  dengan  sedikiti  ripple yang terjadi. Hal ini mengindikasikan filter bekerja cukup baik. Pengaruh  beban  yang  diberikan  mempengaruhi  bentuk gelombang yang dihasilkan.
TABEL I H ASIL P ENGUJIAN D ENGAN B EBAN R ESISTIF No Beban (W) V in (V) I in (A) V Out (V) I Out (A) Frekuensi (Hz) 1. 0 12 1,50 210 0,01 49,70 2. 5 12 1,60 210 0,08 49,70 3. 12 12 1,75 200 0,10 49,70 4. 20 12 1,83 200 0,08 49,80 5. 25 12 1,99 190 0,11 49,70 6. 32 12 2,03 185 0,12 49,80 7. 40 12 2,10 180 0,11 49,80 8. 52 12 2,34 170 0,14 49,80
TABEL II PE NGARUH B EBAN T ERHADAP G ELOMBANG Beban (Watt) Gelombang Beban
(Watt) Gelombang 0 25 5 32 12 40 20 52

## C. Hasil PID
Pada  pengujian  ini  menggunakan  metode  Trial  dan  error PID.  Tujuan  dari  analisa  hasil  PID  ini  adalah  untuk mengamati kestabilan sistem kontrol PID dalam mencapai set point.
Dari  grafik  diatas  dapat  diketahui  Kontrol  PID  mampu mencapai target tegangan atau set point sebesar 220 v. Kontrol menjaga  kestabilan  inverter  dengan  menaikkan  ataupun menurunkan  tegangan  agar  kestabilan  tetap  terjaga  pada tegangan 220 v. Besaran nilai Kp, Ki, dan Kd yang digunakan adalah 0,068, 0,001 dan 0,04.

## D. Pengujian Inverter dengan Kontrol
Pada  pengujian  ini  diketahui  nilai  frekuensi  yang dihasilkan  rata-rata  49,96Hz.  Nilai  tegangan  cukup  mampu dijaga pada range 200v-220v.
TABEL II H ASIL P ENGUJIAN D ENGAN B EBAN R ESISTIF No Beban (W) V in (V) I in (A) V Out (V) I Out (A) Frekuen si (Hz) 1. 0 12 1,67 220 0,06 49,80 2. 5 12 1,80 220 0,07 50,00 3. 12 12 2,06 220 0,08 49,90 4. 20 12 1,83 210 0,08 50,00 5. 25 12 1,39 210 0,07 50,00 6. 32 12 2,53 210 0,12 50,00 7. 40 12 2,57 200 0,13 50,00 8. 52 12 3,36 200 0,19 50,00
TABEL IV
P ENGARUH B EBAN T ERHADAP B ENTUK G ELOMBANG Beban (Watt) Gelombang Beban (Watt)
Gelombang 0 25 5 32 12 40 20 52
Dengan  metode  SPWM  dan  menjaga  control  tegangan keluaran, inverter mampu mengahsilkan gelombang menyerupai  sinus  murni  atau  gelombang modified  sinewave dengan sedikit ripple yang terjadi.

## E. Efisiensi Sistem Inverter
Pada  grafik  pengukuran  tegangan  pada  Gambar  8  dapat diketaui  kinerja  system  kontrol  PID  dapat  mempengaruhi naiknya tegangan keluaran. Tegangan keluaran dapat dinaikan hingga  200v-220v.  kinerja  sensor  tegangan  yang  kurang maksimal  menyebabkan  tegangan  keluaran  tidak  dapat  di feedback  dengan  baik  ketika  sistem  Kontrol  PID  telah mencapai set point 220v.
Pada  grafik  pengukuran  arus  (Gambar  9)  dapat  diamati bahwa  semakin  tinggi  beban  yang  digunakan  nilai  arusnya semakin besar.
Efisiensi inverter sendiri mengalami presentase peningkatan seiring bertambahnya beban (Gambar 10). Dapat diamati  nilai  efisiensi  pada  kinerja  inverter  dengan  control relative  stabil.  Efisiensi  tertinggi  didapatkan  dari  dari  beban 52  Watt  yaitu  sebesar  94,246%.  Rata-rata  efisiensi  yang didapatkan dari hasil peneilitian ini 79,319%.
Gbr. 8 Grafik Perbandingan Tegangan
Gbr. 9 Grafik Perbandingan Arus
Gbr. 10 Grafik Efisiensi Sistem Inverter

## IV. KESIMPULAN (PENUTUP)
1. Dalam keadaan beban yang berubah hasil frekuensi yang dilewatkan ke low pass filter dapat dipertahankan dalam bentuk  gelombang  sinusoidal.  Rata-rata  frekuensi  yang dihasilkan setelah proses kontrol adalah 49,96Hz.
2. Sistem  kontrol  cukup  mampu  untuk  mempertahankan tegangan  output  inverter  pada  rentang  tegangan  200v- 220.  Hal  ini  diakibatkan  sistem  feedback  sensor  yang terlambat ketika kontol PID sudah aktif.
3. Efisiensi  yang  dihasilkan  oleh  inverter  cukup  stabil dengan rata-rata 79,319%.

## R EFERENSI
[1] Adam,  Ahmad  Antares,  Single  Phase  Inverter  Circuit  Based  on Frequency  Variation  for  Controlling  the  Speed  of  a  Capacitor  Motor. Palu: Universitas Tadulaku, 2015.
[2] Ajitha  S.  N  K.alaiarasi  “Implementation  of  Full-  Bridge  Current-Fed Resonant  Boost  Converter  using  PIC  microcontroller”;  2010 International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 1 – No.
[3] Ariwibowo,  C.,  Warsiti,  A.,  dan  Kartono.  2010.  Perancangan  Inverter Dual  Conversion  Push  Pull-Full  Bridge  Pada  Aplikasi  Fotovoltaik, Universitas Diponegoro, Semarang
[4] Azmi,  Khairul,  Ira  Devi  Sara,  Syahrizal.  2017.  Desain  dan  Analisis Inverter  Satu  Fasa  Menggunakan  Metode  SPWM  Berbasis  Arduino Uno, Banda Aceh, Universitas Syiah Kuala
[5] Chen, Wai Kai. 2000. The VLSI Handbook. Florida: CRC Press.
[6] Effendi, Moh. Zaenal, “Design of inductor”, power point materi kuliah, Surabaya: PENSITS, 2007
[7] Effendi, Moh Zaenal, Suyono, Sudarminto, “Rancang Bangun Inverter Multipulsa  untuk  Beban  Penerangan  Rumah  Tangga  Jenis  Lampu Pijar”, Surabaya: PENSITS
[8] Fairchild  Semikonduktor.  ID  Series  Datasheet.  www.alldatasheet.com, diakses tanggal 26 Februari 2012.
[9] FATEC,  2006,  “Inverter  School  Text,  Inverter  Practical  Course”, Mitsubishi Electric Corporation, Tokyo, Japan, p.211.
[10] Grotzbach M, Ried Ch, Investigation of AC/DC Converter Harmonics by an Analytical Based Time-Discrete Approach, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 12, No.2, April 1997
[11] HARSONO,  T.  dan  PRATILASTIAR-SO,  J,  “Harmonisa  dan Pengaruhnya pada faktor Daya”, Jurnal IES 2003.
[12] Majhi, Bijoyprakash. 2012. Analysis of Single-Phase SPWM Inverter.
[13] MR,  Fadhli, Rancang Bnagun Inverter  12V  DC Ke 220V  AC  Dengan Frekwensi  50Hz  dan  Gelombang  Keluaran  Sinusoidal.  Depok: UNIVERSITAS INDONESIA, 2010.
[14] Mustaffa,  Muhammad  Faid,  Design  The  Low  Passive  Filter  For  Grid Connected  Single  Phase  Voltage  Source  Inverter  System.  Malaysia: UNIVERSITI TEKNIKAL MALAYSIA MELAKA,2014.
[15] N.  Mohan,  T.  Undeland,  and  W.  Robbins,  “Power  Electronics: Converters”, Applications, and Design, 2nd ed., New York: John Wiley & Sons, 1995.
[16] Nasution, Muhamad Fadli.2010. Pulse Width Modulation. http://inirobot. blogspot.com. Diakses tanggal 8 Januari 2018.
[17] Prabowo,  Rifqi  Bagus.,  Bambang  Sujanarko,  Suprihadi  Prasetyo, Design  of  single  phase  Full  Bridge  Inverter.  Institute  of  electronics, Jember University, 37 Kalimantan, 68121 Jember, 2018.
[18] Rashid M.H., “Power Electronics: Circuits, Devices and Applications”, Prentice  Hall,  1988.  Fernuniversität-Gesamthochschule  Hagen;  in Germany
[19] Santoso, S. 2013. Implementasi Teknik PWM Pada Inverter Satu Fasa Gelombang  Penuh  pada  Beban  RC,  laporan  Tugas  Akhir,  Universitas Katolik Soegija Pranata, Semarang
[20] ZULKARNAINI,  “Pengaruh  Harmonik  Akibat  Penggunaan  Variable Speed Drive Terhadap Piranti Bridge Crane PLTU TELUK SIRIH (2 x 112MW)”, Jurnal Teknik Elektro ITP, Volume 2 No. 2; Juli 2013.