Budi Triyono, Yuli Prasetyo.

## MULTI INPUT ENERGI TERBARUKAN PADA SISTEM DC BUS MENGGUNAKAN BUCK BOOST CONVERTER

## RENEWABLE ENERGY MULTI INPUTS IN DC BUS SYSTEM USING BUCK BOOST CONVERTER
Budi Triyono 1 , Yuli Prasetyo 2
1,2 Politeknik Negeri Madiun, Jl. Serayu No 84, Madiun, Jawa Timur, Indonesia.
E-mail: buditriyono@pnm.ac.id
Diterima: 05/03/2019; Disetujui: 06/05/2019

## ABSTRAK
Buck-boost  converter  merupakan  suatu  rangkain  untuk  merubah  tegangan keluaran  menjadi  tegangan  yang  lebih  besar  atau  lebih  kecil  dari  tegangan masukan. Perancangan buck- boost converter ini digunakan untuk sumber energi terbarukan.  Buck-boost  converter  ini  menggunakan  Arduino  Uno  sebagai pengatur  nilai  duty  cycle  /  PWM  (Pulse  Width  Modulation).  Switching  PWM menggunakan  Mosfet  IRFP460  yang  memiliki  range  3  –  200  V  dengan optocoupler TLP250. Untuk mendeteksi tegangan dapat menggunakan pembagi tegangan yang berfungsi untuk memberikan umpan balik pada Arduino tegangan keluaran stabil. Dikarenakan polaritas tegangan keluaran  buck-boost converter yang terbalik, maka pembagi tegangan tidak dapat membaca tegangan keluaran. Jadi,  untuk  membatasi  tegangan  keluaran  digunakan  dioda  zener.  Dengan tegangan  masukan  bervariasi  sebesar  7  –  20  Volt,  maka  dihasilkan  tegangan keluaran 14,86 Volt.
Kata Kunci: Buck-boost converter, PWM, Arduino Uno.
Budi Triyono, Yuli Prasetyo.

## ABSTRACT
The buck-boost converter is a series for changing the output voltage to a voltage greater or  less  than  the  input  voltage.  The  design  of  this  buck-boost  converter  is  used  for renewable energy sources. This Buck-boost converter uses Arduino Uno as a regulator of  the duty cycle / PWM (Pulse Width Modulation) value. PWM switching  uses Mosfet IRFP460 which has a range of 3 - 200 V with a TLP250 optocoupler. To detect the voltage can use a voltage divider which serves to provide feedback on the Arduino stable output voltage. Because the polarity of  the output  of the buck-boost  converter is reversed, the voltage divider cannot read the output voltage. So, to limit the output voltage is used a zener diode. With input voltages varying from 7-20 Volt, output voltage of 14.86 Volt is produced.
Keywords: Buck-boost converter, PWM, Arduino Uno.

## PENDAHULUAN
Beragamnya  energi  dari  alam  yang  ada, haruslah  dimanfaatkan  untuk  keberlangsungan energi  listrik.  Tenaga  dari  angin  dapat dikonversikan  ke  energi  listrik  melalui  turbin angin  yang  dipasang  dengan  generator  DC  dan energi  dari  cahaya  matahari  dikonversikan menjadi  energi  listrik  lewat  solar  cell  yang menghasilkan sumber listrik DC.
Karena  memiliki  nominal  tegangan  yang berubah- ubah setiap waktunya, maka tegangan DC  tersebut  harus  disamakan  terlebih  dahulu nilai tegangan keluarannya. Untuk menyamakan tegangan  dari  kedua  sumber  energi  tersebut, digunakan  rangkaian  buck-boost  converter. Penggunaan buck-boost converter yaitu berdasarkan pada fungsinya yang dapat menurunkan  tegangan  (buck)  dan  dapat menaikkan  tegangan  (boost)  dengan  cara mengatur nilai duty cycle. Nilai duty cycle akan diatur  secara  otomatis  oleh  mikrokontroller Arduino Uno.
Digunakannya  sistem  listrik  DC  karena hampir keseluruhan  beban-beban rumah tangga menggunakan  listrik  DC.  Dengan  sistem  DC, maka konversi listrik AC-DC pada adaptor tidak diperlukan  lagi.  Listrik  DC  juga  lebih  efisien karena  frekuensinya  nol dan  lebih aman karena menggunakan  tegangan  yang  rendah.  Terlebih sistem ini merupakan listrik yang mandiri karena tidak  membutuhkan  suplai  listrik  dari  PLN sehingga  diharapkan  dapat  membantu  daerah yang belum teraliri listrik.

## METODE PENELITIAN

## 1. Buck-Boost Converter
Buck-Boost Converter adalah tipe dari DC- DC  converter  yang  dapat  menghasilkan tegangan keluaran  yang  lebih rendah atau lebih tinggi dari tegangan masukan yang didapat. Saat saklar tertutup (ON) maka maka arus di induktor akan naik, saat saklar terbuka (OFF) maka arus di  induktor  turun  dan  mengalir  menuju  beban. Dengan cara ini, nilai rata- rata tegangan beban sebanding dengan rasio antara waktu pembukaan dan  waktu  penutupan  saklar.  Akibatnya,  nilai rata-  rata  tegangan  beban  bisa  lebih  tinggi maupun lebih rendah dari tegangan sumbernya. Skema  buck-boost  converter  ditunjukkan  pada gambar 1.
Gambar 1. Rangkaian buck-boost converter
Masalah  utama  dari  buck-boost  converter adalah  menghasilkan riak arus  yang tinggi  baik di  sisi  masukan  maupun  sisi  keluarannya. Sehingga, diperlukan tapis kapasitor yang  besar di  kedua  sisinya  sehingga  dapat  mengurangi besarnya riak arus yang tinggi.
Persamaan dalam perancangan buck-boost converter adalah sebagai berikut:
Budi Triyono, Yuli Prasetyo.
a. Menentukan nilai beban
Dengan :
I = Nilai arus (A)
V = Nilai tegangan (V) R = Hambatan (Ω) b. Menentukan nilai Duty Cycle
Dengan : Vout = Tegangan output (V) D = Duty cycle Vin = Tegangan input (V) Jika :
c. Menentukan nilai minimal induktor
Dengan :
Lmin = Nilai minimal induktor (H)
D = Duty cycle
R = Hambatan (Ω)
f  = frekuensi switching (Hz)
d. Menentukan nilai minimal kapasitor
Dengan :
Cmin = Nilai minimal kapasitor (F) D = Duty cycle R = Hambatan (Ω)
f  = frekuensi switching (Hz)
% ripple = Nilai ripple tegangan
2. Sistem DC bus
Sistem DC bus dengan masukan lebih dari satu  jenis  pembangkit  sumber  tegangan  dapat
diimplementasikan di sebuah rumah yang mempunyai  sumber  listrik  terbarukan  yaitu  dari
solar cell dan wind turbine.
Gambar 2. Perencanaan sistem DC bus dengan masukan lebih dari satu jenis pembangkit sumber tegangan

## 3. Rangkaian Voltage Divider
Rangkaian ini berfungsi untuk memberikan  umpan  balik  pada  Arduino  dengan membaca  tegangan  keluaran  dari  buck-boost converter. Berikut adalah skema rangkaian sensor pembagi tegangan.
Gambar 5. Rangkaian sensor pembagi tegangan
Rangkaian  sensor  pembagi  tegangan  ini menggunakan  2  buah  resistor  masing-masing memiliki  nilai  100kΩ,  dan  33kΩ  yang dihubungkan  pada  pin  A0  dan  pin  ground  pada Arduino Uno.

## HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
Pada  tahap  hasil  dan  pembahasan  akan dilakukan pengujian pada alat untuk  memperoleh data  dan  akan  dilakukan  pembahasan  terhadap
Duty Cycle < 50% = Buck
Duty Cycle > 50% = Boost
Solar Cell Wind Turbine DC-DC Convert
pengujian sehingga dapat disimpulkan apakah alat telah sesuai dengan perencanaan yang direncanakan sebelumnya.

## 1) Pengujian Sistem Arduino Uno
Pada  rangkaian  sistem  DC  bus,  dengan masukan lebih dari satu jenis pembangkit sumber tegangan, minimum sistem arduino Uno digunakan sebagai otak dari seluruh sistem.  Pada perancangan  ini  menggunakan  1  buah  Arduino Uno  yang  berfungsi  sebagai  pengontrol  sistem. Minimum  sistem  ini  terdiri  dari  1  buah  board Arduino Uno yang terdapat digital (PWM), power, dan analog input. Pengujian sistem ini menggunakan aplikasi Arduino genuino.
Gambar 6. Proses pengiriman program Arduino Uno Dari gambar diatas menunjukkan proses pengisian  program  pada  mikrokontroller Arduino  Uno.  Setelah  proses  pengisian program  selesai,  bisa  dilihat  mikrokontroller arduino  sudah  dapat  beroperasi  dengan  baik atau  belum.  Jika  sudah  beroperasi,  maka minimum  sistem  bekerja  sesuai  dengan fungsinya.

## 2) Pengujian Duty Cycle
Merupakan  rangkaian  yang  berfungsi sebagai  pemicu  Gate  mosfet  pada  rangkaian buck-boost  converter.  Selain  sebagai  pemicu pada Gate mosfet, optocoupler juga berfungsi sebagai  rangkaian  isolasi  antara  rangkaian buck-boost  converter  dengan  Arduino  Uno. Input  PWM  pada  optocoupler  berada  pada kaki  nomor  2,  dan  ground  berada  di  kaki nomor 3. Kaki VCC atau supply positif (+) ke kaki  8  pada  optocoupler,  sedangkan  port supply  negatif  (-)  ke  kaki  5  optocoupler. Sedangkan  untuk  keluaran  yang  digunakan pada  Gate  mosfet  berada  di  kaki  7  dari optocoupler.  Pengujian  optocoupler  TLP250 sebagai  driver  Gate  mosfet  ditunjukkan  pada gambar 7.
Gambar 7. Pengujian Optocoupler TLP250
Berikut  adalah  gambar  hasil  pengujian optocoupler  TLP250  dengan  nilai  duty  cycle yang berbeda.
Budi Triyono, Yuli Prasetyo.
Gambar 9. Data TLP250 dengan duty cycle 50%
Gambar 10. Data TLP250 dengan beban mosfet pada rangkaian buck-boost converter
Data  di  atas  merupakan  data  dengan beberapa kali percobaan pada rangkaian optocoupler. Dengan memberikan masukan PWM 5 Volt Arduino di pin 2  dan 3, kemudian tegangan masukan VCC 15 Volt dan ground di pin 8 dan 5, dapat  dilihat  bahwa  optocoupler  dapat  bekerja dengan baik pada duty cycle 25% dan 50%.
Pada  gambar  8  dan  9  yaitu  ketika  tanpa beban, pembacaan osiloskop menunjukkan tegangan sebesar 15 Volt dengan frekuensi 10 kHz beserta  bentuk gelombang PWM yang baik. Pada gambar 10 adalah saat optocoupler telah diberikan beban  berupa  mosfet  pada  rangkaian  buck-boost converter.  Terlihat  bahwa  frekuensi  pensaklaran tetap  10  kHz,  namun  bentuk  gelombang  PWM menjadi kurang baik akibat efek dari beban mosfet dan  rangkaian  buck-boost  converter.  Gelombang PWM  sedikit  berubah  ketika  diberi  beban  adalah wajar karena komponen yang bersifat tidak ideal.

## 3) Pengujian Voltage Divider
Sensor pembagi tegangan ( voltage divider) terdiri dari  dua buah resistor  yang  dirangkai secara seri. Dari  hasil  pembacaan  sensor  pembagi  tegangan untuk  tegangan  masukan  ditunjukkan  pada gambar 11.
Gambar 11. Pengujian sensor pembagi tegangan
Dari  beberapa  pengujian  dapat  diketahui bahwa  sensor  pembagi  tegangan  dapat  bekerja dengan  baik.  Tegangan  masukan  positif  (+) diletakkan pada kaki resistor 100kΩ, dan tegangan masukan  negatif  (‒)  diletakkan  pada  resistor 33kΩ. Keluaran pembagi tegangan dimasukkan ke port  Analog  Input  Arduino.  Rangkaian  sumber negatif  diberi  GND  dari  arduino,  yang  bertujuan untuk  menstabilkan  pembacaan  sensor.  Dengan dua  resistor  di  atas,  rangkaian  pembagi  tegangan dapat membaca tegangan maksimal 20 Volt.

## 4) Pengujian Buck-Boost Converter
Pengujian tegangan keluaran buck-boost converter  digunakan  untuk  mengetahui  bahwa rangkaian menghasilkan tegangan DC sesuai yang telah  ditentukan. Pada pengujian rangkaian  buck- boost converter ada beberapa langkah  yang  harus dilakukan, yaitu :
1. Menyiapkan  komponen  yang  diperlukan seperti  induktor,  kapasitor,  dioda,  resistor, PCB, timah, power supply , kabel, pin header , dan mosfet IRFP460.
Budi Triyono, Yuli Prasetyo.
2. Merangkai komponen sesuai dengan rangkaian.
3. Menyalakan  Arduino  untuk  mendapatkan PWM.
4. Menghubungkan  probe  multimeter  pada rangkaian keluaran buck-boost converter.
5. Mencatat  setiap  tegangan  masukan  dan keluaran  yang  didapatkan  untuk  mengambil data.
Pada  rangkaian  buck-boost  converter  ini tegangan masukan yang diberikan adalah tegangan yang bervariasi sebesar 2-20 Volt untuk menghasilkan tegangan keluaran 15 Volt.
Gambar 12. Pengujian rangkaian buck-boost converter
Pengujian rangkaian buck-boost converter menggunakan  dua  buah  DC  power  supply  yang masing-  masing  memberikan  tegangan  masukan yang berbeda. Berikut adalah tabel data pengujian rangkaian  buck-boost  converter  dengan  dua tegangan masukan yang berbeda.
Saat  uji  coba,  rangkaian  dapat  bekerja secara optimal ketika diberikan tegangan masukan sebesar  7-20  Volt.  Saat  rangkaian  diberikan tegangan  masukan  dibawah  7  Volt,  maka rangkaian  tidak  dapat  memberikan  tegangan keluaran sesuai dengan yang telah ditentukan.
Tabel 1. Data tegangan masukan dan tegangan keluaran buck-boost converter Buck-Boost Converter 1 Buck-Boost Converter 2 DC Bus (Volt) Vin 1 (Volt) Vout 1 (Volt) Vin 2 (Volt) Vout 2 (Volt) 7 14,86 20 14,87 14,86 12 14,86 17 14,86 14,86 19 14,87 14 14,85 14,86 9 14,86 8 14,85 14,86 10 14,86 9 14,86 14,86 11 14,86 7 14,86 14,86 8 14,85 11 14,86 14,86 13 14,86 12 14,86 14,86 20 14,87 16 14,86 14,86 14 14,85 18 14,86 14,86 15 14,86 14 14,85 14,86 18 14,86 15 14,86 14,86 17 14,86 16 14,86 14,86 16 14,86 13 14,86 14,86 4 7,40 5 8,29 7,53 3 5,39 4 7,41 5,77 2 4,02 3 5,40 4,00 6 10,46 2 4,02 6,61 5 8,29 6 10,46 8,74
Data  yang  didapatkan  apabila  tegangan masukan dibawah 7 Volt maka tegangan keluaran hanya  sedikit  naik,  yang  disebabkan  oleh karakteristik  komponen  mosfet  yang  tidak  bisa switching  semaksimal  mungkin.  Tegangan  pada DC  Bus  akan  stabil  pada  14,86  Volt  saat  kedua rangkaian mempunyai tegangan masukan bervariasi  dan  diatas  7  Volt.  Ketika  salah  satu rangkaian  mendapatkan  tegangan  masukan  yang kurang,  maka  tegangan  pada  DC  Bus  juga berkurang  dikarenakan  tegangan  keluaran  yang lebih  rendah  menjadi  beban  bagi  tegangan  yang bernilai lebih tinggi.
Budi Triyono, Yuli Prasetyo.

## SIMPULAN
Adapun kesimpulan dari penelitian ini adalah:
1. Rangkaian  pembagi  tegangan  ( voltage  divider ) hanya  dapat  bekerja  apabila  rangkaian  memiliki polaritas ground yang sama pada tegangan masukan dan tegangan keluaran.
2. Pada  percobaan  rangkaian buck-boost  converter yang telah dibuat, diberikan tegangan masukan yang bervariasi sebesar 2‒20 Volt. Saat tegangan masukan sebesar  2  Volt  maka  didapatkan  tegangan  keluaran sebesar  4,02  Volt.  Saat  tegangan  masukan  6  Volt
maka didapatkan tegangan keluaran 10,46 Volt. 3. Minimal  tegangan  masukan  pada  rangkaian  adalah sebesar 7 Volt yang menghasilkan tegangan keluaran 14,86  Volt.  Dan  maksimal  tegangan  masukan sebesar  20  Volt  yang  menghasilkan  tegangan keluaran 14,86 Volt.
4. Tegangan  keluaran  yang  berpolaritas  lebih  rendah akan  menjadi  beban  untuk  tegangan  keluaran  yang berpolaritas lebih tinggi. Sebelum diparalel pada DC Bus maka nilai tegangan harus sama.

## DAFTAR PUSTAKA
Sutanto, Arif. 2017. Perancangan Buck/Boost Konverter Sebagai Stabilizer Tegangan Pada Horizontal Axis Wind Turbine, Tugas Akhir Politeknik Negeri Madiun.
Triyono,  Budi.  2016.  Filter  Design  of  PWM  AC  Chopper  on Soft  Starting  Application  3  Phase  Induction Motor‖. ISemantic Vol. I pp. 285-289
W. Hart, Daniel. 2011. Power Electronics (New York: McGraw-Hill Companies).
Kumala Ningrum, Hanifah Nur. 2016. Materi Kuliah Semester 4, Elektronika Daya 2. Prabowo, Gigih. 2017. Materi Kuliah Semester 5, Elektronika Daya 3.
Taufik, Mohammad. Jurnal Teknik Elektro Universitas Padjadjaran, 2015. Prototype Rumah DC Jatinangor
Sebagai Sumber Listrik Pedesaan.
Dzulqarnain,  Yahya.  2010.  Desain  dan  Implementasi  Multi  Input  Konverter  DC-DC  pada  Tenaga  Listrik Hibrida PV/Wind. Jurnal Tugas Akhir Teknik Elekto ITS.