## Perancangan Sistem Charger Otomatis pada Pembangkit Listrik Tenaga Surya

## Muhammad Amiruddin
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas PGRI Semarang amiruddin.muhammad@yahoo.com

## Ringkasan
Salah  satu  sumber  energi  terbarukan  adalah solar  cell yang  menggunakan  energi  sinar matahari yang dapat digunakan untuk sistem pembangkit tenaga surya. Untuk mendukung kerja  sistem  pembangkit,  sebelum  energi  listrik  keluaran solar  cell digunakan,  perlu ditampung  pada accumulator .  Sistem charger accumulator otomatis  dapat  dirancang  bangun dengan  menggunakan dc  to  dc  converter jenis full  bridge  converter yang  dapat  mengatur tegangan  keluaran  dengan  masukan duty  cycle PWM  picuan  4  saklar  elektronis  yang terkonfigurasi  pada  untai  tersebut.  Modul  kendali  dibutuhkan  untuk  memberikan  picuan pada full  bridge  converter berupa  PWM  dengan  pengaturan duty  cycle supaya  tegangan keluaran  stabil  sesuai  dengan  set  point  yang  dikehendaki.  Pada  pengujian, full  bridge converter mempunyai  effisiensi  maksimal  sebesar  97%. Set point kendali  tegangan  keluaran charger di  atur  sebesar  13,8  Volt,  nilai  rata-rata  tegangan  keluaran  sebesar  13,77  Volt,  nilai range 0,22  Volt  dan  mempunyai  standar  deviasi  sebesar  0,06  pada  keadaan  tunak  proses pengendalian.
Kata kunci: full bridge converter, solar cell, charger

## 1. Pendahuluan
Sumber  energi  listrik  merupakan  sumber  yang  paling  banyak  digunakan  oleh manusia  saat  ini.  Hal  ini  disebabkan  karena  listrik  merupakan  kebutuhan  yang  sangat vital  dalam  hidup  manusia.  Listrik  sangat  berperan  dalam  seluruh  bidang  kehidupan, sebagian  besar  peralatan  yang  dipakai  menggunakan  listrik  sebagai  sarana pengoperasiannya.  Sementara  itu,  isu  keterbatasan  bahan  bakar  fosil  menjadi  perhatian penting bagi pengguna energi. Ditambah juga penggunaan bahan bakar fosil yang tidak ramah  terhadap  lingkungan  akibat  hasil  penggunaan  dan  cara  pengeksplorasiannya. Sampai diusung sebuah gagasan penggunaan sumber energi terbarukan yang cenderung lebih  ramah  lingkungan  daripada  bahan  bakar  fosil.  Definisi  energi  terbarukan  adalah sumber energi yang dapat dengan cepat dipulihkan kembali secara alami, dan prosesnya berkelanjutan  [1]. Sumber  energi terbarukan  antara lain, biofuel, biomassa,  panas  bumi, energi air, energi surya, energi pasang surut, energi ombak, energi angin.
Salah satu sumber energi terbarukan adalah solar cell yang menggunakan energi sinar matahari.  Cahaya  matahari  terdiri  atas  foton  atau  partikel  energi  surya,  dimana  foton inilah  yang  dikonversi  menjadi  energi  listrik.  Foton-foton  mengandung  energi  yang bervariasi  menurut  panjang  gelombangnya.  Energi  foto  yang  diserap  oleh  sel  surya diserahkan  sebagian  atau  seluruhnya  kepada electron di  dalam  surya.  Dengan  adanya
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 2 Oktober 2015 Hal. 95 - 102
energi  baru  ini  maka electron mampu  lepas  dari  posisi  normalnya  terhadap  atom sehingga menjadi arus dalam sirkuit listrik [2].
Pada  makalah  ini  akan  dijelaskan  tentang  perancangan  sistem charger  accumulator otomatis pada aplikasi pembangkit listrik tenaga surya. Tegangan keluaran dari solar cell mempunyai  nilai  +  18  Volt  pada  kondisi  maksimum,  maka  perlu  dikondisikan  untuk proses charging accumulator yang mempunyai 6 sel  dan setiap selnya bertegangan 2,30 - 2.45  Volt  [3].  Maka  untuk  proses charging  accumulator diperlukan  pengkondisian tegangan dengan rentang tegangan 13,8 - 14,5 Volt. Pada penelitian ini menggunakan dc- dc converter yang bertujuan untuk menurunkan tegangan dengan tipe full bridge converter dan mengatur kestabilan tegangan keluaran sebesar 13,8 Volt.

## 2. Desain Sistem
Pada  tulisan  ini  akan  dijabarkan  perancangan  sistem charger otomatis  yang  terdiri atas  perancangan  perangkat  keras  dan  lunak.  Perangkat  keras  terdiri  dari  modul full bridge converter dan modul kendali. Sedangkan perangkat lunak terdiri dari pengendalian tegangan  keluaran  charger  dan  pembangkitan  gelombang  kotak  picuan full  bridge converter .

## 2.1.   Perangkat Keras
Full  bridge  Converter .  Sistem  ini  menggunakan dc  to  dc  converter jenis full  bridge converter untuk  menurunkan  tegangan  masukan  dari solar  cell . Full  bridge  converter menggunakan  4  buah  semikonduktor  yang  bekerja  sebagai  saklar  berpasangan  (S1,S4 dan S2,S3), sebuah penyearah gelombang penuh, induktor (L) , Kapasitor (C) dan beban (R).  Apabila  S1,S4  on  sebaliknya  S2,S3  off  (fase  positif)  maka  tegangan  terhubung  pada terminal  primer  transformator  sehingga  akan  membangkitkan  tegangan  pada  terminal sekunder, diode D1 akan bekerja menyearahkan tegangan, mengalirkan arus ke inductor dan  kapasitor.  Sebaliknya  apabila  S2,S3 on ,  S1,S4 off (fase  negatif)  maka  diode  D2  akan bekerja  menyearahkan  tegangan  mengalirkan  arus  ke inductor dan  kapasitor.  Skematik dari full bridge converter pada Gambar 1. Keluaran tegangan dari full bridge converter dapat dirumuskan sebagai berikut.
𝑉𝑜 𝑉𝑠 = 2𝐷 × 𝑁2 𝑁1
(1)
𝑉𝑜 = tegangan keluaran (Volt)
𝑉𝑠 = tegangan masukan (Volt)
𝐷   = Duty cycle (%) 𝑁2 = jumlah lilitan sekunder 𝑁1 = jumlah lilitan primer
Gambar 1. Skematik full bridge converter [4]
Agar  mempunyai  efisiensi  tinggi, full  bridge  converter bekerja  pada  mode  CCM ( Continuous Conduction  Mode ). Maka memerlukan besaran induktor ( L ) dan kapasitor ( C ) dengan rumus sebagai berikut.
𝐿 𝑏 = (1−2𝐷)𝑅 4𝑓 (2)
𝐶 𝑚𝑖𝑛 = (1−2𝐷)𝑉𝑜𝑢𝑡 32𝑉𝑟𝐿𝑓2 (3)
Untuk bekerja pada mode CCM, maka besar 𝐿 > 𝐿 𝑏 dan 𝐶 > 𝐶 𝑚𝑖𝑛 . Modul  Kendali .  Modul  ini  adalah  sistem  minimum  mikrokontroler  ATMega128 dengan  besar  Kristal  16MHz.  Modul  ini  digunakan  untuk  membangkitkan  gelombang kotak  picuan full  bridge  converter dan  mengendalikan  tegangan  keluaran  charger. Gelombang kotak dibangkitkan melalui 2 bit port I/O pada sistem minimum ATMega128 yaitu  PB5/OC1A  dan  PB6/OC1B.  Kedua port tersebut  adalah port yang  memiliki  fungsi spesial sebagai penghasil PWM ( Pulse Width Modulation ) pada fitur Timer 1.
2.2.   Perangkat Lunak
Pengendalian  tegangan  keluaran charger . Pertimbangan  pemilihan  jenis  kendali untuk  pengendalian  tegangan  keluaran  sesuai  dengan  blok  diagram  pada  Gambar  2 berikut.
Kesalahan keadaan tunak terhadap masukan tangga dapat diterima ?
Kontrol Proporsional Sinyal terukur mengandung derau ? Kontrol PI Diinginkan tanggapan yang lebih teredam ? Kontrol PID tidak tidak tidak ya ya ya Gambar 2. Pemilihan jenis kendali [5]

## Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 2 Oktober 2015 Hal. 95 - 102
Keluaran  dari charger dipengaruhi  dari  besar  masukan  sistem  yang  merupakan keluaran solar cell . Keluaran solar cell sangat dipengaruhi dari sinar  matahari yang pada situasi normal, dipengaruhi waktu (pagi, siang, sore). Perubahan keluaran dari solar cell dapat dilihat pada  Gambar 3. Dapat disimpulkan dari tabel tersebut,  bahwa perubahan masukan sistem sangat lambat, sehingga sinyal terukur pada sistem tidak mengandung derau  yang  signifikan  dan  tidak  memerlukan  peredaman  lebih.  Maka  dipilihlah  jenis kendali PI ( Proporsional Integral ).
Tabel 1. Keluaran solar cell pada pengisian accumulator [6] Jam pengujian Solar cell 1 (v) Solar cell 2 (v) Solar cell 3 (v) Solar cell 4 (v) 7:50 14.46 14.42 14.37 14.32 8:20 15.43 15.14 14.71 14.71 8:50 14.47 14.44 14.13 14.13 9:20 15.58 15.46 15.34 15.31 9:50 16.24 16.5 15.64 15.64 10:20 18.47 18.08 17.83 17.03 10:50 18.2 17.95 17.03 17.06 12:20 18.21 17.89 17.06 17.17 12:50 17.84 17.47 17.17 16.85 13:20 17.81 17.5 17.02 16.91 13:50 18.05 17.72 17.12 16.98 14:20 17.78 17.66 16.98 16.88 14:50 17.87 17.48 17.02 16.92 15:20 17.47 17.15 16.69 16.46 15:50 16.02 15.87 15.68 15.13 16:20 13.44 13.26 13.11 12.11 16:50 10.4 10.12 10.25 10.03 17:00 8.46 8.76 8.23 8.14
Dengan  kontrol  PI,  diharapkan  respon  sistem  meningkat,  dan  nilai  offset  keadaan tunak dapat mengecil. Kontrol PI cocok untuk kondisi sistem tanpa derau, karena tidak terdapat  elemen  kontrol  derivatif  untuk  mengantisi  perubahan  nilai  error  yang  cepat pada  derau.  Blok  diagram  kontrol  PI  dapat  dilihat  pada  Gambar  3.  Rumus  untuk keluaran pengontrol adalah sebagai berikut.
𝐶𝑂 =  𝐾𝑝𝑒  + 𝐾𝑖 ∫ 𝑒𝑑𝑡
(4) Kp e Ki/s + + Co
Gambar 4. Blok diagram kontrol PI [5]
Pembangkitan  picuan  gelombang  kotak .  Dalam  pembangkitan  picuan  gelombang kotak,  diperlukan  fitur  dalam  mikrokontroler  ATMega128  berupa  ADC  untuk mendapatkan nilai proses (PV) dari tegangan keluaran aktual charger . Interupsi Timer 3 untuk proses perhitungan error (e) dimana error adalah selisih dari nilai setpoint (SP) dan nilai proses (PV) , integral error (i_e) yaitu akumulasi nilai error , dan keluaran pengontrol
(CO). Interupsi Timer 2  melalui  register  TCNT2  untuk  menentukan  besar  frekuensi  (Hz) picuan  dan  PWM Timer 1  melalui  register  OCR1AL  dan  OCR1BL  untuk  menentukan besar duty cycle picuan. Maka secara keseluruhan perangkat lunak bekerja sesuai dengan diagram alir pada Gambar  5.
Mulai Inisialisasi setpoint tegangan keluaran (SP), ADC, PWM Timer 1, Interupsi Timer 2, Interupsi Timer 3
Interupsi Timer 2 ? Fase positif ? OCR1BL=CO OCR1AL=0 OCR1AL= CO OCR1BL = 0 selesai Ya Tidak Tidak Ya Interupsi Timer 3 ? CO = (Kp x e) + (KI x i_e) Konversi data ADC menjadi PV e= SP-PV i_e = i_e + e(n)
Gambar 5. Diagram alir kerja perangkat lunak

## 3. Hasil dan Analisa
Simulasi  dilakukan  menggunakan  perangkat  lunak  PSIM  9.0.3  untuk  merancang untai full  bridge  converter .  Untai  skematik  dan  ilustrasi  picuan  4  saklar  seperti  pada Gambar  6. Duty cycle yang  dapat  diaplikasi  pada  picuan  maksimal  sebesar  50  %  untuk
Techné Jurnal Ilmiah Elektroteknika Vol. 14 No. 2 Oktober 2015 Hal. 95 - 102
menjaga agar untai tidak terjadi short circuit pada saat pasangan saklar   S1,S4 = ON dan S2,S3 = OFF atau sebaliknya S1,S4 = ON dan S2,S3 = OFF.
Gambar 6. Simulasi PSIM full bridge converter dengan duty cycle picuan 50% frekuensi 8k Hz
Setelah  melakukan  simulasi,  maka  selanjutnya  dilakukan  realisasi  perangkat  keras untai full bridge converter . Pengujian dilakukan dengan pemberian picuan dengan rentang duty cycle 15% - 50% dan melakukan pengukuran beberapa parameter seperti pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil pengujian perangkat keras full bridge converter Vin=17,5 dan R=50 ohm
Duty Cycle Vout Iin Iout Efisiensi (Pout/Pin) 15 3.36 0.02 0.067 0.64512 20 4.6 0.035 0.092 0.690939 25 6.37 0.055 0.127 0.843156 30 7.91 0.085 0.158 0.841252 35 9.41 0.12 0.188 0.843315 40 11.11 0.15 0.222 0.940435 45 12.78 0.195 0.256 0.957236 50 14.28 0.24 0.286 0.97104
Tahap akhir, keseluruhan sistem tersusun seperti pada blok diagram pada Gambar 7. Solar  cell memberikan  tegangan  masukan  bagi full  bridge  converter . Full  bridge  converter memberikan tegangan keluaran untuk men- charge accumulator . Dan sebagai pusat sistem, modul  kendali  telah  dilengkapi  perangkat  lunak  pengendali  kendali  tegangan  keluaran dan pembangkitan picuan
SOLAR CELL
FULL BRIDGE CONVERTER MODUL KENDALI ACCUMULATOR
Gambar 7. Blok diagram keseluruhan sistem
Modul  kendali  menerima  umpan  balik  berupa  tegangan  keluaran  charger  melalui port  ADC  untuk  diproses  dalam  elemen  kendali  jenis  Proporsional  Integral  yang menghasilkan duty cycle PWM melalui 2 bit port I/O (PB5/OC1A dan PB6/OC1B ). Hasil kendali  terlihat  pada  grafik  pada  Gambar  8.  Pada  pengujian,  tegangan  awal  adalah tegangan  awal accumulator yang  hendak  di charge yaitu  sebesar  11,5  volt,  kemudian secara berangsur tegangan naik mendekati set point sebesar 13,8 volt.
Gambar 8. Respon kendali tegangan keluaran charger dengan set point 13.8 volt
Dari  data  hasil  pengendalian  pada  Gambar  8,  besar  penyimpangan  data  dari  nilai setpoint  dapat  diketahui  dengan  perhitungan  ukuran  penyebaran  dengan  parameter jarak  (range),  dan  standar  deviasi (𝜎) .  Persamaan  jarak  dan  standar  deviasi  adalah sebagai berikut.
𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 = 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑚𝑎𝑥 − 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 min (5) 𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 𝑑𝑒𝑣𝑖𝑎𝑠𝑖 (𝜎) =   √ ∑(𝑋−𝑢)2 𝑁
(6) 11.5 12 12.5 13 13.5 14 -3 2 7 12 17 22 27 te gan gan k e lu ar an ( Vo lt) waktu (detik)
dengan:
𝑋 =
nilai data hasil pengendalian
µ = nilai rata-rata hitung
𝑁 = jumlah total data
Dengan  parameter  jarak  ( range ),  secara  sederhana,  dapat  diketahui  ukuran penyebaran  data  hasil  pengendalian.  Semakin  besar  jarak  ( range )  berarti  pengendalian semakin  tidak  presisi  karena  data  hasil  pengendalian  melebar.  Dengan  parameter standar  deviasi (𝜎) ,  dapat  diketahui  keakuratan  dan  kepresisian  dari  pengendalian. Dalam perhitungan standar deviasi,  melibatkan rata-rata hitung data. Apabila rata-rata hitung  data  mendekati  dengan  nilai setpoint maka  pengendalian  semakin  akurat. Semakin kecil standar deviasi, pengendalian semakin presisi, karena selisih data dengan rata-rata hitungnya adalah kecil. Dari pengujian pengendalian, pada saat keadaan tunak terhitung  rata-rata  hitung  data  tegangan  keluaran  sebesar  13,77  Volt.  Nilai range tegangan keluaran terhitung sebesar 0,22 Volt dan standart deviasi sebesar 0,06.

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  data  Tabel  1,  Pengisian accumulator dapat  dilakukan  pada  pukul  10:20 sampai dengan 15:20 dengan tegangan masukan charger rata-rata + 17,5 Volt dari solar cell . Pada full  bridge  converter dapat  dicapai  tegangan  keluaran  sebesar  13,8  Volt  dengan pengendalian duty  cycle antara  45%  -  50%  dengan  efisiensi  95%  sampai  dengan  97% sesuai  pada  Tabel  2.  Pada  proses  pengendalian,  saat  keadaan  tunak  terhitung  rata-rata hitung data sebesar 13,77 Volt, nilai range sebesar 0,22 Volt dan standart deviasi sebesar 0,06 Volt.

## Daftar Pustaka
[1]  Wikipedia, Energi  terbarukan [online], http://id.m.wikipedia.org/wiki/Energi_ terbarukan , diakses tanggal : 1 September 2015.
[2]  Zulkifli, Perencanaan  Pemanfaatan  Energi  Surya  sebagai  Energi  Alternatif  untuk Kebutuhan Listrik pada KLM.Pinisi 360 GRT , 2013.
[3]  Batterey  University, Charging  Lead  Acid [online],  http://batteryuniversity.com/ learn/article/charging_the_lead_acid_battery ,diakses tanggal : 1 September 2015.
[4]  M.H. Rashid, Power Electronics Handbook , San Diego :Academic Press,2001.
[5]  W. Bolton, Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol , Jakarta : Erlangga,2006.
[6]  P.Y.  Hidayat,  E.  Wahjono,  A.R.  Nansur, Rancang  Bangun  Suatu  Sistem  Pemanfaatan Sumber  Energi  Tenaga  Surya  sebagai  Pendukung  Sumber  PLN  untuk  Rumah  Tangga berbasis Mikrokontroler , 2011.