TEKNIK, 43 (1), 2022, 102-111
doi: 10.14710/teknik.v43i1.32736                  Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Perancangan Uninterruptible Power Supply ( UPS ) untuk Peningkatan Fleksibilitas Penggunaan dan Lebih Ekonomis dengan Inverter
Kendali Pulse Width Modulation ( PWM ) Berbasis Mikrokontroler ATmega 328
Rakhmad Syafutra Lubis, Abdul Haris, Tarmizi
Jurusan Teknik Elektro dan Komputer Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala Jl. Tgk. Syech Abdul Rauf, Kampus UNSYIAH Darussalam, Banda Aceh, Indonesia 23111

## Abstrak
Seiring peningkatan beban listrik yang tinggi menyebabkan pemadaman listrik dapat terjadi dengan tiba- tiba saat sedang menggunakan elektronik dan tidak jarang akan menyebabkan kerusakan baik perangkat lunak maupun perangkat keras dari beban elektronik tersebut. Untuk mengatasi masalah tersebut dapat menggunakan  Uninterruptible  Power  Supply  (UPS),  namun  UPS  juga  masih  memiliki  kelemahan  yang menjadi  dasar  pertimbangan  penggunaanya  belum  meluas  seperti  harganya  yang  masih  mahal  dan backup  time  yang  singkat,  oleh  karena  itu  dilakukan  perancangan  suplai  daya  ac  satu  fasa  dengan pengendali  Inverter  Pulse  Width  Modulation  (PWM)  berbasis  Mikrokontroler  Atmega  328  untuk peningkatan  fleksibilitas  UPS  menggunakan  pola  aliran  arus  sesuai  bidirectional  ac  power  supply  dan disederhanakan dalam penelitian ini agar lebih ekonomis dengan jumlah diode dan MOSFET yang lebih sedikit.  Total  harmonic  distortion  (THD)  tegangan  5,24  %,    frekuensi  keluaran  49,56  Hz,  tegangan keluaran dan susut tegangan memenuhi standard dengan perangkat UPS terdiri dari satu transformator, adaptor dan inverter dengan frekuensi swtching dan filternya dapat disesuakan.
Kata kunci : mikrokontroler; uninterruptible power supply; rectifier; inverter; pwm

## Abstract
[Tittle  :  UPS  Design  for  Increased  Flexibility  of  Use  and  More  Economic  with  PWM  Controlled Inverter  Based  on  ATmega  328  Microcontroller] As  the  high  electrical  load  increases,  power  outages can occur suddenly while using electronics and often will cause damage to both software and hardware from the electronic load. To solve this problem, can use an UPS. but UPS also still has weaknesses that become the basis for consideration of its use not yet widespread, such as the price is still expensive and the  backup  time  is  short,  Therefore,  the  design of  a  single-phase  ac  power  supply  with  a  PWM  Inverter controller based on the Atmega 328 Microcontroller was carried out to increase the flexibility of the UPS using a current flow pattern according to a bidirectional ac power supply and  simplified in this study to make  it  more  economical  with  fewer  diodes  and  MOSFETs.  Total  harmonic  distortion  (THD)  voltage  is 5.24%,  output  frequency  is  49.56  Hz,  output  voltage  and  voltage  drop  meet  the  standard  with  the  UPS device consisting of a transformer, adapter and inverter with adjustable switching frequency and filters.
Keywords : mikrokontroler; uninterruptible power supply; rectifier; inverter;  pwm

## 1. Pendahuluan
Perkembangan  teknologi  yang  pesat  menjadi penyebab  utama  meningkatnya  kebutuhan  energi  listrik khususnya  peralatan  elektronik.  Peningkatan  beban
dapat  menyebabkan  pemutusan  suplai  daya  secara  tiba- tiba  saat  sedang  menggunakan  perangkat  elektronik. Pemutusan  listrik  yang  tiba-tiba  tersebut  dapat menyebabkan  kerusakan  baik  perangkat  lunak  maupun perangkat  keras  dari  perangkat  elektronik.  Ini  dapat menyebabkan  kerugian,  baik  kecil  maupun  besar, tergantung  besar  perangkat  yang  sedang  digunakan. Salah  satu  efek  dari  pemadaman  listrik  dapat
------------------------------------------------------------------
*) Penulis Korespondensi. E-mail: rakhmadslubis@unsyiah.ac.id
doi: 10.14710/teknik.v43i1.32736               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
menghentikan pekerjaan kita. Untuk mengatasi permasalahan  tersebut,  dibutuhkan  alat  yang  langsung menyalurkan  aliran  listrik  ke  beban  juga  dapat menyimpan  daya  listrik  yang  berasal  listrik  sumber (pembangkit)  untuk  disalurkan  ke  peralatan  elektronik jika  terjadi  pemadaman  secara  tiba-tiba.  Alat  yang dibutuhkan  tersebut  sesuai  dengan  fungsi  UPS  yaitu suatu perangkat yang dapat menyalurkan daya ke beban kritis  pada  saat  sumber  utama  terputus,  akantetapi  UPS juga  memiliki  kelemahan  yang  menjadi  penyebab penggunaanya  belum  meluas,  diantaranya  harganya yang masih mahal, backup time yang singkat (10 sampai 20  menit),  penggunaanya  sebagian  besar  hanya  mampu untuk  cadangan  listrik  sistem  komputerisasi,  sehingga UPS lebih tepatnya digolongkan sebagai penyedia listrik darurat  dibandingkan  catu  daya  listrik  (“Pilih  Mana: UPS atau Inverter”, 2018).
Penelitian  UPS  terkait  dengan  penelitian  yang pernah  dilakukan  oleh  Koenig    bahwa  pada  kondisi normal beban menarik daya dari sumber daya ac sampai muncul  gangguan.  Ketika  gangguan  terjadi,  beban menarik  daya  dari  inverternya.  Perangkat  penyimpanan energi  diisi  daya  melalui  konverter  dc-ke-dc  dua  arah atau  melalui  inverter  yang  beroperasi  dalam  mode penyearah  untuk  meningkatkan  kualitas  daya  dari sumber listrik ac (Naden & Bax, 2010). Penelitian yang serupa sebelumnya juga dilakukan oleh Hui dkk. (2000) menguji  konverter  tipe  boost  berbasis inverter-thyristor dengan kemampuan penyaluran daya dua arah dan dapat memeperbaiki faktor daya input , bentuk gelombang arus input mendekati  sinusoidal  dan  mengurangi  harmonik pada  suplai  utama.  Fitur  aliran  daya  dua  arah memungkinkan  energi  yang  tersimpan  dalam  beban, seperti  motor,  untuk  diregenerasi  kembali  ke  sumber sehingga  dapat  terjadi  peningkatan  efisiensi  energi secara  keseluruhan  dan  mengurangi  ukuran  kapasitor yang  diperlukan.  Penelitian  lainnya  dan  berbeda  yaitu desain  UPS  dengan output menggunakan  pengendali STM32  dan  algoritma  PID  untuk  mengoptimalkan strategi  pengendalian.  Sirkit  tersebut  merupakan  UPS dilengkapi boost  converter berbasis  STM32  dengan formasi sirkit hanya satu arah (Zhaowei dkk, 2020).
Perancangan  UPS  lainnya  oleh  Xu  dkk.,  2021 menggunakan  rangkaian  koreksi  faktor  daya  aktif (APFC)  berdasarkan  struktur  lup  tertutup  arus  dan tegangan  dilengkapi  sirkuit boost serta  inverter  dengan kendali  algoritma  PID  dan  Fuzy.  Efektivitas  metode diverifikasi  dengan  simulasi  dan  eksperimen.  Faktor daya  UPS  dapat  mencapai  lebih  dari  0,996  dengan rangkaian  koreksi  faktor  daya  APFC,  sistem  UPS memiliki  ketahanan  yang  kuat  dan  waktu  respon  yang lebih  singkat,  pengaturan  tegangan  sistem  tetap  pada 0,083%  dan  pengaturan  beban  sekitar  0,056%.  Sistem UPS  ini  dapat  menyediakan  daya  AC  36V  dengan toleransi  0.2V  (50Hz  dengan  toleransi  0.2Hz)  yang
stabil. Pada penelitian Xu dkk. ini jalur arus dari sumber ke beban cukup panjang, dan terpisah dari transformator.
UPS yang ada saat ini cukup bervariasi kapasitas, waktu  backup,  struktur  sirkit,  metode  pengendaliannya dan  jenis  baterai.  Waktu  operasional  UPS  tergantung pada jenis dan ukuran baterai, laju pengosongan baterai, dan  efisiensi  inverter.  Di  samping  itu  semakin  banyak fitur  yang  tersedia  pada  suatu  UPS,  seperti  ragam metode  pengendaliannya,  maka  harganya  semakin mahal.
Secara  garis  besar,  berbagai  merek  dan  tipe  UPS memiliki  fungsi  yang  sama,  yaitu:  (1)  mensuplai  daya listrik  sementara  ketika  terjadi  pemadaman  atau pemutusan  pada  listrik  utama,  (2)  memberikan  waktu yang  cukup  untuk  menghidupkan  generator  darurat,  (3) memberikan  waktu  untuk  melakukan back  up data-data penting dan melakukan pemadaman komputer sebagaimana mestinya, (4) mengamankan komputer dari kemungkinan kerusakan software , kehilangan data, atau kerusakan hardware karena  pemadaman  tidak  normal, dan (5) melakukan stabilisasi tegangan listrik ketika ada perubahan  tegangan input secara  tiba-tiba  sehingga tegangan output yang  digunakan  oleh  komputer  tetap sesuai  standar  (“Review  10  Rekomendasi  Merk  UPS”, 2022).
Berbagai merk UPS terbaik memiliki ukuran yang beragam, mulai ukuran yang dirancang hanya untuk satu komputer  hingga  yang  dirancang  untuk  dapat  memberi daya  pada  seluruh  gedung.  Dua  bentuk  paling  umum dari  UPS  adalah  bentuk  menara  dan rack-mount .  UPS yang  berbentuk  menara  biasanya  digunakan  untuk komputer  desktop.  Sedangkan  UPS  berbentuk rack- mount biasanya  dipasang  untuk  server  dan  jaringan (“Review 10 Rekomendasi Merk UPS”, 2022).
Sumber  daya  yang  digunakan  pada  UPS tergantung  atau  berasal  dari  baterai  yang  terpasang  di dalamnya.  Tiga  jenis  utama  baterai  yang  biasanya terpasang pada berbagai  merek UPS terbaik, antara lain valve  regulated  lead  acid (VRLA), flooded  cell (VLA) dan lithium  ion .  Waktu  operasional  UPS  tergantung pada jenis dan ukuran baterai, laju pengosongan baterai, dan  efisiensi  inverter  (“Review  10  Rekomendasi  Merk UPS”, 2022).
Merk  UPS  terbaik  terbagi  dalam  beberapa  jenis dengan  karakteristik  kinerja  yang  berbeda-beda,  antara lain  jenis standby , line  interactive,  double  conversion on-line, dan delta  conversion  on-line .  Keempat  jenis UPS  tersebut  memiliki  fungsi  dan  struktur  rangkaian umum  yang sama  yaitu jalur arus langsung dari sumber ke  beban  dan  baterai,  dalam  kondisi  normal,  dan  jalur arus  melalui  baterai  ke  inverter  lalu  ke  beban  pada kondisi  gangguan.  Perbedaannya  pada  kapasitas  dan jenis  baterai  (“Review  10  Rekomendasi  Merk  UPS”, 2022).
doi: 10.14710/teknik.v43i1.32736               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
Gambar 1. Blok Diagram Catu Daya DC
Gambar 2. Skema Inverter Jembatan Penuh
Dengan  mengacu  pada  penelitian  terdahulu  dan metode  atau  jenis  UPS  yang  ada  saat  ini  dilakukan penelitian  mengenai  perancangan  suplai  daya  ac  satu fasa  dengan  inverter  terkendali  PWM  berbasis Mikrokontroler Atmega 328 untuk aplikasi sebagai UPS. Supplai daya ini memiliki kemampuan penanganan catu daya  ac  dan  dc  sehingga  dapat  berfungsi  sebagai  catu daya  elektronik  ( emergency  power )  bagi  beban  kritis, dengan  prototipenya  pada  prinsipnya  terdiri  dari rangkaian  adaptor  dan  inverter.  Pada  penelitian  ini jumlah  switch  total  dan  diode  yang  digunakan  relatif lebih sedikit jika dibanding dengan penelitian (Lin  dkk, 2020)  dan  (Xu  dkk.,  2021).  Perbedaannya  dengan penelitian sebelumnya dan UPS yang ada saat ini adalah bahwa  kerja    sistem  dikendalikan  oleh  Arduino (ATmega  328)  dengan  pola  aliran  arus  sesuai bidirectional  ac  power  supply sehingga  dapat  diatur frekuensi  pembawa,  jumlah  pulsa,  dan  nilai  filter  yang dipakai. Switch dilakukan  oleh  relay  yaitu  saat  mode memakai  sumber  utama  atau  saat  mode  memakai sumber  penyimpan  dengan  beban  langsung  terhubung transformator pada kedua  mode tersebut  sehingga dapat diperoleh  efisiensi  rangkaian  dan  efektifitas  prototipe UPS  yang  dihasilkan.  Jumlah  diode  yang  digunakan jauh  lebih  sedikit  dibanding  dengan  UPS  konvensional (Rashid,  2008),  demikian  juga  jumlah  switch  MOSFET lebih sedikit sehingga pengendaliannya lebih sederhana.
Dengan  alat  suplai  daya  hasil  perancangan  ini penggunaan  UPS  tidak  hanya  terbatas  pada  perangkat komputerisasi  akantetapi  dapat  ditingkatkan  untuk diterapkan mensuplai perangkat elektronik rumah tangga yang lainnya dan juga memiliki harga yang relatif lebih murah dibandingkan UPS di pasaran dengan menggunakan  satu  transformator,  adaptor,  inverter  dan penggunaan  jumlah  diode  dan  MOSFET  lebih  sedikit serta  frekuensi  swtching  dan  filternya  dapat  disesuakan dengan kondisi beban yang ada.

## 2. Bahan dan Metode A. Power Supply
Power  supply atau  catu  daya  adalah  perangkat yang  menyalurkan  daya  listrik  ke  beban  setelah memperosesnya  untuk  disesuaikan  dengan  kebutuhan beban.  Proses  yang  dilakukan  pada power  supply diantaranya  yaitu  mengubah  besar  arus  maupun tegangan,  mengatur  frekuensi,  mengatur  aliran  daya, meningkatkan efisiensi, menurunkan gangguan harmonik total, memperbaiki faktor daya dan mengisolasi  antara  sumber  dan  beban.  Berdasarkan  tipe tegangan output power  supply dapat  dikategorikan menjadi power  supply dc  dan power  supply ac. Power supply dc  mengubah output dari  sumber  listrik  ac  ke output dc  yang  stabil.  Tegangan  ac  pertama  diperbaiki untuk  memberikan  dc  berdenyut,  dan  kemudian  ditapis untuk menghasilkan tegangan halus. Akhirnya, tegangan diatur  untuk  menghasilkan  tingkat output yang  konstan terlepas  dari  variasi  pengaruh  tegangan  ac  atau  beban. Gambar 1 mengilustrasikan proses perbaikan, penapisan, dan  regulasi  dalam power  supply dc.  Rangkaian power supply dc  dapat  dibedakan  menjadi  2  tipe  berdasarkan sistem  kerjanya,  yaitu stepdown  transformer  power supply dan switching  power  supply (Rashid,  2001). Paper  ini  menerapkan stepdown  transformer  power supply . B. Inverter Inverter adalah power  supply ac  yaitu sirkit  yang mengubah  daya  dc  ke  ac.  Gambar  2  menunjukkan konverter jembatan gelombang penuh yang dikendalikan dan  dapat  berfungsi  sebagai  inverter  dalam  beberapa kasus,  tetapi  sumber  ac  harus  sudah  ada  sebelumnya. Pada  paper  ini  digunakan  inverter  yang  menghasilkan output ac  dari input dc  berupa  baterai.  Inverter digunakan  dalam  beberapa  aplikasi  seperti  pengatur kecepatan    motor  ac,  peralatan  pembalik  dc-ke-ac  pada catu daya tak terputus (UPS) dan menjalankan peralatan ac dari baterai mobil (Hart, 2011).
∫ (1)
Gambar 3. Arduino ATmega 328
Gambar 4. Topologi UPS Online
Persamaan  1  adalah  besaran  tegangan  efektif  keluaran tegangan ac inverter jembatan penuh pada Gambar 2. Dimana adalah  tegangan output inverter, adalah perioda awal, dan adalah tegangan sumber.
Operasi  pada  Gambar  2,  Mode  1, dan menutup  maka  tegangan  berada  pada  beban  pada periode  positif.  Mode  2, dan menutup  maka tegangan berada pada beban pada periode negatif

## C. Teknik Modulasi PWM dan Frekuensi Pembawa
Ada  dua  metode  yang  digunakan  dalam  proses pembangkitan sinusoidal  PWM (SPWM)  yaitu  secara analog  dan  digital.  Secara  analog  sinyal  SPWM dibangkitkan  dengan  membangkitkan  sinyal  sinus sebagai  referensi  dan  sinyal triangle (segitiga)  sebagai carrier (pembawa) . Sedangkan dengan cara digital maka dapat  dilakukan  dengan  menggunakan  mikrokontroler. Melalui  metode  digital  ini  dimanfaatkan  barisan  bahasa pemrograman untuk menghasilkan sinyal PWM.
Salah  satu  metode  yang  digunakan  untuk mengurangi harmonisa frekuensi rendah dalam gelombang inverter adalah metode modulasi lebar pulsa sinusoidal (SPWM). Dalam metode ini, salinan referensi dari  bentuk  gelombang  sinusoidal  yang  diinginkan, gelombang  modulasi  dibandingkan  dengan  bentuk gelombang  segitiga  menggunakan  frekuensi  yang  jauh lebih  tinggi,  ini  disebut  gelombang  pembawa.  Sinyal penggerak  yang  dihasilkan  menyebabkan  beberapa  kali pengaktifan  sakelar  inverter  di  setiap  setengah  siklus dengan  lebar  pulsa  berbeda  untuk  menghasilkan gelombang tegangan kuasi-sinus. Lebar pulsa meningkat dari  lebar  yang  sangat  sempit  di  awal  setiap  siklus  ke lebar maksimum di tengah setiap siklus. Kemudian lebar pulsa  berkurang  lagi  setelah  maksimum  hingga  lebar minimum  pada  akhir periode setengah  siklus.  Biasanya dalam  pembanding  ketika  tegangan  gelombang  sinus melebihi  tegangan  gelombang  segitiga,  tegangan  beban adalah  + ,  dan  ketika  tegangan  gelombang  segitiga melebihi  tegangan  gelombang  sinus,  tegangan  beban adalah - (Pawar dkk., 2015).
(2)
Akurasi, atau kedekatan dengan gelombang sinus, dapat
dikendalikan oleh rasio modulasi frekuensi,
(3)
dimana adalah  rasio  modulasi  amplitude  dan adalah rasio modulasi frekuensi.
D. Arduino
Arduino  adalah platform elektronik  sumber terbuka  yang  berbasis  perangkat  keras  dan  lunak  yang mudah  digunakan.  Papan  Arduino  dapat  membaca input cahaya  dari  sensor,  jari  pada  tombol  dan  pesan twitter kemudian  mengubahnya  menjadi output yang  dapat digunakan untuk  mengaktifkan  motor,  menyalakan  LED, menerbitkan  sesuatu  secara online dan  lain-lain.  Pada penerapan  lanjut  dapat  digunakan  memberi  tahu  subjek tentang  apa  yang  harus  dilakukan  dengan  mengirimkan serangkaian instruksi ke mikrokontroler di papan arduino. Untuk  melakukannya,  fungsi  arduino  tersebut,  subjek menggunakan  bahasa  pemrograman  Arduino  yang tersedia  (berdasarkan  pengkabelan)  dan  perangkat  lunak Arduino ATmega 328 (IDE) seperti Gambar 3, mengikuti pemrosesan yang diinginkan (Iyuditya & Dayanti, 2011). E. Uninterruptible Power Supply
UPS  adalah  perangkat  keras  yang  berfungsi memberikan  suplai  listrik  ketika  sumber  utama (pembangkit)  tidak  berfungsi  atau  terjadi  pemadaman listrik.  Di  dalam  komponen  UPS  terdapat  baterai  yang menjadi  sumber  daya  ketika  listrik  dari  sumber  utama terputus.  Dalam  kondisi  normal,  sumber  utama  sebagai sumber  daya,  secara  otomatis  baterai  akan  terisi  penuh (Eaton, 2015).
Perangkat  UPS    berperan  penting  sebagai  listrik cadangan  sementara  dengan backup  time yang  sangat cepat, dan hanya mampu bertahan dalam beberapa menit saja.  Dalam waktu  yang  cukup  singkat,  bisa dimanfaatkan  untuk  menyimpan  data  yang  belum sempat  tersimpan  dan  mematikan  perangkat-perangkat elektronik secara normal, contohnya, komputer dihubung dengan UPS agar tidak  menggangu perangkat keras  dan  lunak  jika  sumber  utama  terputus  tiba-tiba (Eaton, 2015).
Secara  umum  ada  beberapa  topologi  UPS  yang memberikan  tingkat  perlindungan  yang  berbeda-beda,
Gambar 5. Desain Rangkaian Prototipe
pemilihannya  tergantung  pada  beberapa  faktor  seperti tingkat  keandalan,  ketersediaan,  jenis  peralatan  yang dibebani,  dan  penerapan  atau  lingkungannya.  Ada  4 jenis  topologi  yang  umum  yaitu  topologi  o nline tergolong  yang  umum  digunakan  (Rigoursyah  dkk, 2020; Pratama and Sudiarto, 2020), topologi ferroresonant ,  topologi line  interactive dan  topologi siaga. Contoh topologi online terlihat pada Gambar 4.

## F. Perancangan Skema Prototipe
Gambar  5  merupakan  rangkaian  yang  digunakan untuk  desain power  supply ac  dengan  inverter  PWM untuk  aplikasi  UPS  berbasis  ATmega  328.  Detail komponen  rangkaian  tersebut  terdiri  dari lowpass  LC filter , rasio modulasi amplitudo, rasio modulasi frekuensi dan  penentuan  frekuensi carrier serta  pasilitas  penulisan coding PWM.  Aliran  arus  rangkaian  mengikuti  pola bidirectional  ac  power  supply yang  dimodifikasi sedemikian  rupa  dengan  memanfaatkan  komponen MOSFET untuk rangkaian inverter dalam satu arah aliran arus,  diode  untuk  rangkaian  adaptor  (penyearah)  dalam satu  arah  aliran  arus,  transformator  untuk  penaik  dan penurun  tegangan  dalam  dua  arah  aliran  arus.  Arduino sebagai  pengendali  inverter  dengan  PWM  dan switch berupa relay untuk menukar mode penggunaan sumber ac langsung atau sumber baterai UPS. Kekhususan prototipe ini  beban  tetap  berada  langsung  parallel  dengan  sumber (pembangkit)  maupun  transformator.  Pada bidirectional ac  power  supply konvensional,  penggunaan  diode  dapat mencapai empat kali lebih banyak dan penggunaan switch MOSFET  dua  kali  lebih  banyak.  Penggunaan  thyristor dalam  proses  switching  juga  dapat  dua  kali.  Sedangkan pada  prototipe  ini  hanya  penggunaan  transformator  yang dua  kali  (dua  arah)  dalam  kedua  mode,  yaitu  sebagai penaik atau penurun tegangan.

## G. Penentuan Frekuensi Carrier (Pembawa)
Berdasarkan  teori  maupun  prakteknya  jika frekuensi carrier semakin  ditingkatkan  (ketepatannya sesuai  kapasitas  beban  yang  ada)  maka  semakin  mudah meredam THD jika ada filter yang terhubung ke output . Jadi  cara  yang  optimal  adalah  memilih  dengan  tepat frekuensi switching atau carrier sistem  sesuai  tujuan yang ingin dicapai. Demikian juga filter yang terhubung dapat  memiliki  nilai  yang  lebih  kecil  atau  besar  (Pawar dkk.,  2015).  Frekuensi carrier yang  dipilih  pada
penelitian  ini  adalah  11  kHz  dengan  mencoba mengambil  acuan  untuk  pengujian  berdasar  penelitian terdahulu (Pratama and Sudiarto, 2020). Nilai frekuensi tersebut  diperoleh  dengan  mempertimbangkan  aspek rugi switching, rugi daya, gangguan tegangan dan noise . H.  Penentuan  Rasio  modulasi  Frekuensi  dan Amplitudo
Dalam proses teknik modulasi SPWM yang akan diterapkan atau diaplikasikan  maka dilakukan penulisan programnya  untuk  menjadi  program  ( source  code ), dimana  terlebih  dulu  dilakukan  penentuan  rasio modulasi  amplitudo  dan  rasio  modulasi  frekuensi. Didapatkan adalah 0,5 dan adalah 220.

## I. Perancangan Filter Low-Pass
Rangkaian  LC  Filter  berfungsi  sebagai  penapis harmonisa  tegangan  dan  arus output dari  inverter. Rangkaian  ini  terdiri  dari  sebuah  induktor  1  mH  dan sebuah  kapasitor  non  polaritas  209,34  nF  yang  tersusun secara  paralel.  Kemudian  hasil  keluaran  filter  ini  akan dihubungkan  dengan  sebuah  beban  resistif  hingga  100W untuk  kelengkapan  saat  melakukan  pengujian  beban. Untuk  memperhalus  sinyal  agar  mendekati  sinus  murni maka  filter  disesuaikan  dengan  Chebyshev  LC-Filter dengan  nilai sebesar  0,014  H; sebesar  9103,55  pF dan 9103,55 pF untuk C2.

## J. Pembuatan Simulasi Prototipe
Simulasi  prototipe  dilakukan  pada  perangkat lunak  Proteus  8.6.  Pada  Gambar  6  dapat  dilihat rangkaian  simulasi  prototipe  dengan  menerapkan  PWM Arduino pada pengontrolan sinyal pulsa gate MOSFET.

## K. Penulisan Coding PWM Menggunakan Arduino
Pembangkitan  sinyal  pulsa  PWM  menggunakan proses  digital  yaitu  dengan  mengerjakan  penulisan coding pembuatan  bentuk  sinyal  melalui software Arduino  sebelum  di- compile pada  mikrokontroler ATmega 328 seperti diperlihatkan pada Gambar 7.

## L. Pengujian Simulasi Prototipe
Setelah  semua  perancangan  simulasi  selesai, selanjutnya  adalah  pengujian  simulasi  menggunakan perangkat lunak Proteus 8.6. Simulasi ini untuk menguji bentuk gelombang keluaran rectifier , gelombang PWM, gelombang  keluaran  inverter,  dan  gelombang  keluaran inverter setelah penambahan filter.

## M. Pengujian dan Analisis Hasil Prototipe
Setelah  semua  tahap  selesai  (perancangan perangkat  lunak  dan  perangkat  keras),  selanjutnya adalah  pengujian  prototipe.  Pada  tahap  ini,  pengujian untuk  memperoleh  bentuk  gelombang  yang  diharapkan, tegangan  serta  frekuensi  keluaran  inverter,  dan  THD tegangan.  Kemudian  dalam  tahapan  analisis  dilakukan pengukuran  seberapa  jauh error antara  simulasi  dengan hasil  perancangan,  bagaimana  pengaruh  penambahan filter dan berapa kemampuan daya yang dihasilkan serta analisis pengujian variasi beban pada inverter.
Gambar 6. Skema Simulasi Prototipe
Gambar 7. Penulisan Coding Arduino Untuk PulsaPWM
Gambar 8. Gelombang Output Rectifier Pada Simulasi
Gambar 9. Gelombang  pwm pada Simulasi

## 3. Hasil dan Pembahasan A. Pengujian Simulasi
Berdasarkan  hasil  simulasi  didapatkan  beberapa data yaitu Gambar 8 sampai Gambar 11. Pada Gambar 8 dapat  dilihat  keluaran  dari  rangkaian  penyearah  atau rectifier .  Gelombang  kuning  menunjukkan  tegangan sumber  dan  gelombang  merah  menunjukkan  tegangan keluaran. Selanjutnya pada Gambar 9 dapat dilihat hasil gelombang PWM yang di generate menggunakan coding pada  Arduino  dalam  perangkat  lunak  PROTEUS. Gelombang  biru  untuk  siklus  pertama  dan  gelombang kuning untuk siklus kedua. Pada Gambar 10 merupakan keluaran  dari  inverter  sebelum  dilakukan  filter menggunakan low  pass  LC  filter .  Gelombang  keluaran belum  merupakan  ac  murni  dan  masih  dipengaruhi bentuk  PWM.  Gambar  11  menjukkan  gelombang keluaran  inverter  setelah  dilakukan  penyaringan  ripple menggunakan low  pass  LC  filter .    Meskipun  masih memiliki ripple namun  gelombang  keluaran  sudah semakin mendekati bentuk tegangan ac.

## B. Pengujian Prototipe
Berdasarkan hasil pengujian didapatkan beberapa data  yaitu  Gambar  12  sampai  Gambar  17  dan  Tabel  1 sampai  dengan  Tabel  3.  Pengujian dc  converter / rectifier dilakukan dengan mengujikan bentuk gelombang input dan output serta  pengukuran  nominal
tegangan input dan output yang dihasilkan oleh rectifier . Gambar 2  adalah bentuk gelombang input dan output dc converter.  Pengukuran  menunjukkan  bahwa  tegangan sumber 222,4V berhasil diturunkan menjadi 16,56V dan disearahkan menjadi tegangan dc sebesar 16,19V.
Pada  Gambar  14  dinunjukkan  keluaran  dari inverter tanpa beban dan belum dihubungkan filter low- pass ,  sehingga  gelombang  tegangan  keluaran  masih belum berbentuk sinusoidal murni atau  mendekati sinus murni, namun sudah bersifat sinusoidal. Dengan bentuk seperti  ini  beban  yang  dapat  dilayani  hanya  resistif, sedang  induktif  dan  kapasitif  belum  dapat  diterapkan. Sedangkan pada Gambar 15 dapat dilihat bahwa setelah dilakukan  penyaringan  atau  filter low  pass terhadap tegangan  keluaran  inverter  didapatkan  gelombang  atau sinyal  tegangan  yang  semakin  mendekati  sinusoidal murni atau ac murni dengan sedikit ripple . Pengujian  frekuensi carrier yang  dilakukan mendapatkan  data  seperti  ditunjukkan  dalam  Tabel 1.Tabel 1. hasil pengujian frekuensi c arrier untuk PWM inverter menunjukkan bahwa percobaan dalam merubah nilai  dari  frekuensi  c arrier memberikan  dampak  yang besar  dalam  hasil  yang  didapatkan,  terutama  pada tegangan  jatuh,  distorsi harmonic ,  daya  keluaran  dan besaran  filter  yang  dipakai.  Percobaan  1  memiliki  nilai frekuensi  pembawa  yang  jauh  lebih  tinggi  dari
Gambar 10. Gelombang Inverter Tanpa Filter (Simulasi)
Gambar 11. Gelombang Inverter Setelah Filter Pada Hasil Simulasi
Gambar 12. Keluaran Osiloskop dc Converter
Gambar 13. Keluaran Osiloskop PWM Gambar 14 Keluaran Osiloskop Inverter Tanpa Filter
Gambar 15. Keluaran Osiloskop Inverter Setelah di
Filter
Gambar 16 THD tegangan sebelum difilter
Gambar 17 THD tegangan setelah difilter
percobaan 2 dan 3. Percobaan 1 memiliki frekuensi yang juga  jauh  dari  ketetapan  standar  frekuensi  pembawa yang bernilai 6 kHz hingga 20 kHz (Iyuditya & Dayanti, 2013) dan juga mempertimbangkan berdasarkan efeknya
terhadap  tegangan  (Pratama  &  Sudiarto,  2020). Percobaan dilakukan untuk melihat komparasi efek yang timbul  saat  perubahan  frekuensi  diterapkan.  Perubahan nilai  frekuensi pembawa diatur dengan  merubah jumlah
doi: 10.14710/teknik.v43i1.32736               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
pulsa  dan  perioda  frekuensi  pembawa  seperti  terlihat pada Tabel.1
Pada pengujian frekuensi keluaran dan THD yang dihasilkan didapatkan data  seperti terlihat pada Gambar 16  dan  Gambar  17.  Meskipun  penerapan  filter  dapat menyebabkan  penurunan  frekuensi  dalam  rentang  yang kecil dari 49,89 Hz menjadi 49,56 Hz, namun penerapan filter sangat penting dilakukan karena pengaruhnya kecil saat  pembebaban  UPS  dilakukan,  seperti  ditunjukkan pada  Tabel  3,  dengan  frekuensi  tetap  berada  pada  nilai 49,56  Hz.  Setelah  filter  diterapkan  spektrum  harmonik hampir  tidak  terlihat  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 17 dibanding pada Gambar 16.
Persentase  THD  yang  dihasilkan  oleh  prototipe UPS pada keluaran inverter menunjukkan angka 79,76% sebelum  filter  diterapkan  dan  menurun  menjadi  5,24% setelah  filter  diterapkan.  Berdasarkan  ketentuan  THD menurut  standar  (IEEE  :  519-2014)  yang  menentukan nilai sebesar 5% untuk tegangan rendah, sehingga THD yang  didapatkan  prototipe  sudah  mendekati  ketetuan standar yang menjadi acuan tersebut (Cheng, 2014).

## C. Pengujian Charging dan Uji Beban
Kondisi  pengecasan  baterai  dapat  dilihat  pada Tabel  2. Pengecasan  baterai  dilakukan  dari  kondisi  sisa tenaga baterai  sesaat sebelum diuji, hingga  kondisi full- charge ,  dapat  disesuaikan  dengan  standar  (Federal Register, 2020). Kemudian dilakukan pengujian menggunakan  beban  jenis  resistif  bervariasi  berupa beban  penerangan.  Data  pengujian  dapat  dilihat  pada Tabel 3.
Tabel  3  menunjukkan  bahwa  tegangan  keluaran masih  berada  dalam  rentang  tegangan  yang  memenuhi standard yang ditetapkan oleh PLN dengan variasi -10% dan +5%, Hal ini dinyatakan dalam Standar Perusahaan Listrik  Negara  (SPLN  1:  1995).  Untuk  pengujian tegangan  dengan  beban  yang  ditetapkan  juga  tidak mengalami  susut  tegangan  ( drop  voltage ).  Susut tegangan  yang  diperbolehkan  berdasarkan  Peraturan Umum  Instalasi  Listrik  (PUIL)  tahun  2000  dan  tahun 2011  yaitu  untuk  penerangan  sebesar  2  %  (Badan Standarisasi  Nasional,  2000)  dan  (Badan  Standarisasi Nasional, 2011). Frekuensi pada perubahan pembebanan ac  dapat  dipertahankan  pada  nilai  49,56  Hz  yaitu
Tabel 1. Pengujian Frekuensi Carrier (pembawa) untuk PWM Inverter
Parameter Komparasi Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Frekuensi Pembawa 31000 Hz 6000 Hz 11000 Hz Jumlah Pulsa 310 Pulsa 60 Pulsa 110 Pulsa Perioda Frek. Pembawa 31,8 µs 166,6 µs 90,9 µs Filter 2,2 mH;4,61 mF 1 mH;703,62 nF 0,014 H; 9103,55 pF dan 9103,55 pF Daya Output 5 ~ 6 Watt Hingga 100 Watt Hingga 100 Watt Frekuensi Output 49,68 Hz 49,51 Hz 49,56 Hz Drop Voltage 50 Volt 5 Volt 8 Volt Harmonisa sebelum filter 71,36 % 86,96 % 79,76 % Tabel 2. Data Proses Pengisian Baterai No. Arus Pengecasan Tegangan Baterai Terukur Kondisi Saklar 1 0,30 A 11,90 Volt Charging Menutup 2 0,29 A 12,15 Volt Charging Menutup 3 0,27 A 12,35 Volt Charging Menutup 4 0,22 A 12,68 Volt Charging Menutup 5 0,17 A 12,90 Volt Charging Menutup 6 0,12 A 13,37 Volt Charging Menutup 7 0,07 A 13,80 Volt Full Charge Membuka

## Tabel 3. Data Pengukuran Menggunakan Beban Resistif
Sumber dc Nilai Output Jenis Beban Tegangan Arus Daya Frekuensi ±12V 235,0 V 0,042A 10 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar ±12V 230,9 V 0,064A 15 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar ±12V 228,7 V 0,109A 25 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar ±12V 225,2 V 0,177A 40 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar ±12V 221,8 V 0,450A 100 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar ±12V 235,0 V 0,042A 10 Watt 49,56 Hz Lampu Pijar
doi: 10.14710/teknik.v43i1.32736               Copyright © 2022, TEKNIK, p-ISSN: 0852-1697, e-ISSN: 240-9919
mendekati  rujukan  standar  50Hz  (±5%)  berdasarkan pada (Socomec Group, 2021)

## 4. Kesimpulan
Berdasarkan  hasil-hasil  penelitian  dan  analisis yang  telah  diuraikan    menunjukkan  bahwa  prototipe suplai  daya  ac  satu  fasa  (untuk  aplikasi  UPS)  dengan inverter kendali PWM berbasis mikrokontroler ATmega 328,  berhasil  dilaksanakan.  UPS  mampu  beroperasi mencapai  100  watt  dengan  tegangan output standar (sesuai  hasil  pada  Tabel  3).  Frekuensi carrier yang dipilih  berdasarkan  perhitungan  rasio  indeks  modulasi dengan  pertimbangan losses daya,  dan  tegangan  susut dengan  derau  atau noise yang  lebih  minimum  adalah 11kHz  (sesuai  hasil  pada  Tabel  1).  Sesuai  Tabel  3 tegangan  keluaran  dapat  memenuhi  Standar  SPLN  1: 1995,  juga  tegangan  susut  yang  terjadi  memenuhi standar  PUIL  2000  dan  2011.  Kemudian  besaran persentase  THD  tegangan  rendah  sudah  mendekati standar  yang  diterapkan  (IEEE  :  519-2014)  dan frekuensi  keluaran  49,56  Hz,  sesuai  Tabel  3,juga mendekati  rujukan  standar  50Hz  (±5%)  berdasarkan General  Catalagoue  UPS  and  Critical  Power  Solution . Penggunaan  jumlah  diode  jauh  lebih  sedikit  dibanding bidirectional  ac  power  supply konvensional  dan  switch MOSFET  setengahnyadiganti  dengan  switch  berupa relay  tetapi  dapat  menjalankan  fungsi  yang  sama  serta fungsi  pengendalian  yang  lebih  sederhana  sehingga lebih ekonomis.

## Ucapan Terima Kasih
Pembuatan  UPS  dengan  kendali  PWM  ini  telah dapat  diselesaikan  dengan  peran  serta  yang  sangat penting  dari  Laboratorium  Sistem  Tenaga  Listrik Jurusan  Teknik  Elektro  dan  Komputer  (JTE&K)  USK, terima kasih kami kepada Laboran dan Ketua Jurusan.

## Daftar Pustaka
Badan Standarisasi Nasional (2000). Persyaratan Umum Instalasi  Listrik  2000  (PUIL  2000). Jakarta Patent SNI 04-0225-2000 .
Badan Standarisasi Nasional (2011). Persyaratan Umum Instalasi  Listrik  2011  (PUIL  2011).  SNI 0225:2011.
Cheng,  D.  J.  (2014).  IEEE  Standard  519-2014  : Compliances, Updates, Solutions. France: Schneider Electricity .
Eaton Powering Bussiness. (2015). The Eaton UPS and Power  Management  Fundamental  Handbook, New York: EATON Powering Bussiness . Federal  Register.  (2020).  Departement  of  Energy,  10 CFR Part 430 [Docket Number EERE-2016-BT-
STD-0022] RIN 1904-AD69. Energy
Conservation  Program:  Energy  Conservation Standards  for  Uninterruptible  Power  Supplies. Federal  Register  /Vol.  85,  No.  7  /  Friday, January  10,  2020  /Rules  and  Regulations , pp.1447-1503.
Hart,  D.  W.  (2011).  Power  Electronics. Valparaiso,
Indiana: The McGraw-Hill Company .
Hui,  S.  R.,  Chung,  H.  S.  H.  and  Yip,  S.  C.  (2000).  A Bidirectional ac–dc Power Converter with Power Factor  Correction. IEEE  Transactions  on  Power Electronics , 15(5), 942-949.
Iyuditya  and  Dayanti  E.(2013).  Sistem  Pengendali Lampu  Ruangan  Secara  Otomatis  Menggunakan
PC Berbasis Mikrokontroler
Arduino
UNO. Jurnal Online ICT STMIK IKMI , 10, 1-7. Lin,  Q.,  Cai,  F.,  Wang,  W.,  Chen,  S.,  Zhang,  Z.  and You,  S.  (2020).  A  High  Performance  Online Uninterruptible  Power  Supply  UPS  System Based  on  Multitask  Decomposition. IEEE Transactions  on  Industry  Applications , 55 (6), 7575 – 7585.
Naden, M. and Bax, R. (2010). Generator with dc boost and  split  bus  bidirectional  dc-to-dc  converter  for uninterruptible  power  supply  system  or  for enhanced load pickup. United States Of America Patent US 7,786,616 B2 , 31 August. Pawar, S., Kulkarni A. and Jambulkar, C. (2015). Effect of  Carrier  Frequency  on  the  Performance  of Three  Phase  SPWM  Inverter, International Journal of Science, Engineering and Technology Research (IJSETR), 4(9), 3019-323.
Perusahaan Listrik Negara. (1995). Tegangan-Tegangan Standard. Indonesia Patent O63.WO594/DIR/1995 , 25 August.
Pilih  Mana  :  UPS  atau  Inverter.  (2018,  30  November) Diakses  dari  https://www.selera.id/pilih-mana- ups-atau-inverter/
Pratama,  R.  L.,  and  Sudiarto,  B.  (2020).  Karakteristik Disturbansi  di  Rentang  Frekuensi  9  kHz  -  150 kHz  pada  Sistem  UPS. Jetri:  Jurnal  Ilmiah Teknik Elektro, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia , 17(2), 217 – 228. Rashid,  M.  H.  (2001). Power  Electronic  Handbook . Pensacola, Florida: Academic Press.
Rashid,  M.  H.  (2008).  Power  Electronics,  Circuit, Devices  and  Appliocation.  Purdue  University, Third  Edition,  Prenticehall,  Englewood  Cliffs, New Jersey 07632.
Review  10  Rekomendasi  Merk  UPS  Terbaik  (Terbaru 2022). (2022, 9 April) Diakses dari https://ceklist.id/21522/merk-ups-terbaik/ . Rigoursyah,  M.  A.  F.,  Kurniawan,  E.,  and  Yuwono,  S., (2020).  Perancangan  UPS  Berbasis  Sumber Energi Listrik TerbarukandanTermonitor Perangkat  IOT. Prodi  S1  Teknik  Elektro,

## TEKNIK, 43 (1), 2022, 111
Fakultas  Teknik  Elektro,  Universitas  Telkom,  e- Proceeding of Engineering , 7(3), 8730-8740.
Socomec  Group.  (2021).  UPS  and  Critical  Power Solutions, General Catalogue, Socomec Innovative  Power  Solution,  R.C.S.  Strasbourg  B 548 500 149.
Xu, S., Li, C., and Li, B. (2021).A Low Voltage Single Phase  Online  Uninterruptible  Power  Supply System  Based  on  APFC  and  Fuzzy  PID Algorithm. Digital Object Identifier
10.1109/ACCESS.2021.3132659, IEEE Access, 9,
162389-162400.
Zhaowei,  L.,  Jiapeng,  L.,  and  Guorong,  Z.  (2020).
Design and Implementation of Online
Uninterruptible  Power  Supply  System  Based  on STM32. ICAESEE 2020, IOP Conf. Series: Earth and  Environmental  Science  647  (2021)  012009 ,
Wuhan University of Technology, Hubei