BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Pendahuluan
Sel surya adalah elemen aktif yang dapat mengubah cahaya matahari
menjadi energi listrik. Sel surya merupakan pembangkit listrik yang populer saat ini. dengan memanfaatkan cahaya sebagai partikel yang mampu mengkonversi sinar matahari sehingga dapat menghasilkan arus listrik yang effisien dan ramah
lingkungan. Hadirnya cahaya matahari dapat menciptakan energi listrik,
perubahan ini disebut efek fotovoltaik. Bila sel surya terkena sinar matahari, maka akan timbul elektron dan hole. Elektron dan hole yang timbul disekitar p-n junction bergerak berturut-turut kearah lapisan n dan lapisan p, sehingga pada saat electron-elektron dan hole-hole melintasi p-n junction, akan timbul beda potensial pada kedua ujung sel surya.
Gambar 2.1 Prinsip kerja sel fotovoltaik
Berdasarkan teori Maxwell tentang radiasi elektromagnet, cahaya dapat dianggap sebagai spektrum gelombang elektromagnetik dengan panjang gelombang yang berbeda. Dari pendapat maxwell terdapat perbedaan dengan
6
7
penjabaran
yang
dijelaskan
oleh
Einstein
bahwa
efek
fotoelektrik
mengindikasikan cahaya merupakan partikel diskrit atau kuanta energi.
Dualitas cahaya sebagai partikel dan gelombang dirumuskan dengan
persamaan:
E= h.f=h.c/λ
[1]
Dimana cahaya pada frekuensi f atau panjang gelombang λ datang dalam bentuk paket-paket foton dengan energi sebesar E. h adalah konstanta planck
(6,625 x 10
Js) dan C adalah kecepatan cahaya (3 x 10 m/s). sifat cahaya
energi dalam paket-paket foton ini yang diterapkan pada sel surya.[1] sebagi
Energi listrik yang dihasilkan oleh sel surya selalu disajikan dalam bentuk
kurva karakteristik arus dan tegangan. Tegangan open circuit diukur tanpa beban dan tidak dipengaruhi oleh penyinaran. Arus hubung singkat Isc pada saat pengukuran berbanding lurus dengan kuat penyinaran. Pada titik daya maksimum (maximum power point) pada sel surya didapat dari hasil arus dan tegangan dari titik tertentu yang mencapai titik maksimum.
Gambar 2.2 Grafik fungsi arus tegangan pada sel surya
Dari gambar diatas dapat disimpulkan ada tiga titik penting yaitu :
Tegangan beban nol Voc diukur tanpa beban dan tidak dipengaruhi penyinaran.
Arus hubung singkat Isc diukur saat sel hubung singkat dan arus Isc berbanding lurus dengan kuat penyinaran.
8
Titik daya maksimum (Maximum Power Point) MPP dari sel surya didapatkan dari hasil arus dan tegangan yang dibuat pada setiap titik.
2.2 Solar Sel
2.2.1 Prinsip Kerja Solar Sel
Prinsip dari Panel surya ialah mengubah intensitas cahaya matahari menjadi energi listrik yang dapat digunakan untuk menjalankan peralatan elektronik. Panel surya/modul surya merupakan suatu paket yang terdiri dari sel-
sel yang disusun secara horizontal dan dilapisi oleh kaca sehingga dapat di pasang
menghadap
matahari.
Sebuah
modul
diklasifikasikan
berdasarkan
daya
maksimumnya. Sel-sel itu terbuat dari kristal silikon yang dikembangkan dalam bentuk ingot. Dalam potongan tipis yang disambungkan melalui elektroda untuk membentuk sel.
Gambar 2.3 Prinsip kerja solar sel
Dalam cahaya matahari terkandung energi dalam bentuk foton. Ketika foton ini mengenai permukaan sel surya, elektron-elektronnya akan tereksitasi dan menimbulkan aliran listrik. Prinsip ini dikenal sebagai prinsip photoelectric. Sel surya dapat tereksitasi karena terbuat dari material semikonduktor
yang
mengandung unsur silikon. Silikon ini terdiri atas dua jenis lapisan sensitif yaitu lapisan negatif (tipe-n) dan lapisan positif (tipe-p). Sel surya ini mudah pecah dan
9
berkarat jika terkena air. Karena itu sel ini dibuat dalam bentuk panel-panel ukuran tertentu yang dilapisi plastik atau kaca bening yang kedap air. Panel ini
dikenal sebagai panel surya. Sampai saat ini riset dan pengembangan mengenai solar sel sudah mencapai
efisiensi yang bagus dan mencapai 43%. [3]
Sumber : Solar Power For Your Home Gambar 2.4 Riset efisiensi solar sel
2.2.2 Modul Solar Sel Solar sel terdiri dari sel-panel surya yang mengkonversikan energi matahari menjadi energi listrik. Panel surya dibuat dari bahan semikonduktor yang pada umumnya digunakan jenis silikon. Panel surya terdiri p-n junction yang dikemas dalam sekeping semikonduktor, dimana elektron-elektronnya dapat dilokasikan pada pita valensi atau pita konduksi dan apabila permukaan bahan
10
tersebut diberi cahaya atau terkena sinar matahari akan mengeluarkan tegangan listrik arus searah (dc) sebesar 0,5 volt setiap selnya. Rangkaian ekivalen Solar
Sel diperlihatkan pada gambar 2.5
IL
RS
ID Iph
D
RP
V
Gambar 2.5 Model rangkaian listrik dari solar sel
I = I ph I D I Rsh
(2.1)
V IR S mVT
= I ph I S exp
V IR S 1 R Sh
(2.2)
Keterangan : V
: Tegangan keluaran Solar Sel
I
: Arus keluaran Solar Sel
ID
: Arus Dioda
I ph
: Arus yang dibangkitkan
IS
: Arus balik saturasi dioda
VT
: Tegangan Termal (2,75 mV pada 250 C )
m
: Faktor idealitas dioda
RSh / RS
: Resistansi parallel/seri
Dengan mengabaikan faktor idealitas dioda, maka besar arus I dapat dinyatakan dengan :
VV I I S e T 1 I ph
(2.3)
11
Arus hubung singkat I hs dan tegangan hubung buka Vhb dinyatakan sebagai :
(2.4)
I ph Iph Vhb VT I n 1 ≈ VT ln IS IS
(2.5)
Daya total yang didisipasikan adalah :
I hs I ph
VV P = V x I = I SV e T 1 I phV
(2.5)
Besar daya maksimum akan dicapai ketika dP/dV = 0, sehingga besar tegangan dan arus meksimum dapat dituliskan sebagai : Vm VVm I SVm VT dP T e 0 I S e 1 I ph dV VT
(2.6)
V Vm Vhb VT ln1 m VT
(2.7)
VVm I m I I S e T 1
(2.8)
Karakteristik arus dan tegangan Solar Sel pada tingkat intensitas matahari yang berbeda-beda dapat dilihat pada gambar 2.4. Besar tegangan yang dihasilkan oleh Solar Sel juga dipengaruhi oleh temperatur. Perubahan temperatur terjadi karena tidak semua energi matahari dikonversikan menjadi energi listrik, sisanya akan menimbulkan panas pada Solar Sel, maka tegangan keluaran mengecil, semakin rendah temperatur, tegangan keluaran akan semakin besar.[2] Karakteristik arus dan tegangan solar sel adalah tidak linier, sehingga titik kerja maksimumnya ditentukan dengan pengukuran tegangan dan arus keluarannya. Untuk mendapatkan daya maksimum yang sesuai dengan intensitas sinar matahari, maka Solar Sel harus dioperasikan pada titik kerja maksimum yang lokasinya berada disekitar lekukan atau knee dari karakteristik I-V nya.
12
Sumber: Frederick M. Ishengoma
Gambar 2.6 Karakterisrik I-V solar sel pada berbagai tingkat intensitas cahaya
Karakteristik operasi Solar Sel terdiri dari dua daerah : daerah sumber arus dan daerah sumber tegangan. Pada daerah sumber arus, nilai impedansi dalamnya tinggi dan terletak pada sebelah kiri dari karakteristik I-V (Adedamola Omole, 2006). Sedangkan pada daerah sumber tegangan, nilai impedansi dalamnya rendah dan terletak sebelah kanan karakteristik I-V. Pada daerah sumber arus, arus keluaran mendekati konstan pada perubahan nilai tegangan terminal dan pada daerah sumber tegangan, tegangan sedikit bervariasi pada rentang perubahan arus yang besar. Daerah sumber arus dan sumber tegangan satu modul Solar Sel dengan luas tertentu, nilainya dapat bervariasi terhadap besar intensitas matahari dan temperatur. Berdasarkan teori transfer daya maksimum, daya yang disalurkan ke beban akan maksimum bila impedansi dalam Solar sel sama besar dengan impedansi beban (matching). Untuk dapat selalu beroperasi pada titik daya maksimum, suatu kontroler digunakan untuk mengatur tegangan keluaran konverter sehingga titik kerja Solar sel dapat dijaga pada titik daya maksimumnya.[2] Daya keluaran Solar sel berbanding langsung terhadap besarnya intensitas matahari, arus akan naik saat intensitas matahari membesar. Intensitas matahari bukanlah satu-satunya faktor penting yang mempengaruhi karakteristik Solar sel, temperatur merupakan faktor lain yang mempengaruhi karakteristik Solar sel, dimana tegangan terminal akan naik pada penurunan temperatur seperti diperlihatkan pada gambar 2.7.
13
Sumber: Frederick M. Ishengoma
Gambar 2.7 Karakterisrik I-V pengaruh temperatur
2.3 Jenis Solar Sel Ada beberapa jenis Solar sel yang sudah berkembang saat ini sesuai dengan riset dan pengembangannya. Adapun beberapa jenis solar sel diantaranya: a) Monokristal Silikon Merupakan panel yang paling efisien, menghasilkan daya listrik persatuan luas yang paling tinggi. Memiliki efisiensi sampai dengan 15%. Kelemahan dari panel jenis ini adalah tidak akan berfungsi baik ditempat yang cahaya mataharinya kurang (teduh), efisiensinya akan turun drastis dalam cuaca berawan.[3] b) Polikristal Silikon Merupakan panel surya / solar cell yang memiliki susunan kristal acak. Type Polikristal memerlukan luas permukaan yang lebih besar dibandingkan dengan jenis monokristal untuk menghasilkan daya listrik yang sama, akan tetapi dapat menghasilkan listrik pada saat mendung.[3] c) Thin film Thin film adalah solar sel yang paling mahal saat ini, tapi juga merupakan yang paling efisien saat ini. Keunggulan solar sel ini yaitu sangat tipis dan fleksibel dan sangat fortabel untuk digunakan.[3]
14
2.4 Baterai Charger
Baterai charger berfungsi sebagai media penyimpan dan penyedia energi
listrik. Sumber listrik yang digunakan sebagai pembangkit power dalam bentuk
arus searah (DC). Alat ini digunakan di dunia elektronika untuk menjalankan
fungsi dari alat-alat elektronika itu sendiri. Baterai lead acid terdiri dari beberapa
sel. Baterai lead acid 12 Volt, terdiri dari 6 sel. Batas tegangan satu sel umumnya dari 2.30V sampai 2.45V, jadi baterai aki 12 Volt tegangan sebenarnya mulai adalah antara 13.8 V - 14.7 Volt. Kondisi baterai lead acid tergantung dari suhu,
suhu tinggi menyebabkan baterai cepat rusak. Pada saat charging baterai pada
suhu ruangan melebihi suhu 30 derajat celcius, tegangan yang direkomendasikan adalah 2.35V/sel. Pada saat charging, dan suhu ruangan tetap dibawah 30 derajat Celcius, tegangan charger untuk masing-masing sel disarankan 2.40 sampai 2.45Volt. Tegangan float charge yang direkomendasikan dari kebanyakan baterai aki lead acid adalah di antara 2.25 sampai 2.30V/sel. Pada suhu tinggi dibutuhkan tegangan lebih kecil dan suhu lebih rendah dibutuhkan tegangan lebih tinggi. Charger dengan suhu yang fluktuatif harus dilengkapi dengan sensor suhu untuk mengoptimalkan float voltage.[10]
Gambar 2.8 Rangkaian pengganti baterai lead acid
15
Dimana : R discharge
= nilai tahanan discharge internal baterai. (KΩ)
E0
= tegangan Open circuit pembangkitan baterai (V)
CB
= Nilai elektrokimia kapasitansi baterai
R series
= nilai Tahanan seri non linear (variabel) (1-0,5 Ω)
Cb
= nilai kapasitansi baterai variabel
VBover
= tegangan over pada sel baterai
VB(t)
= tengangan terminal baterai
IB(t)
= Arus pada terminal baterai
iB(t)
= Arus baterai discharge
Baterai aki memerlukan periodik discharge, untuk memperpanjang umur baterai. Penerapan sekali dalam sebulan, dimana discharge dilakukan hanya berkisar 10 persen dari total kapasitas. Full discharge sebagai bagian dari pemeliharaan rutin tidak direkomendasikan karena akan mengurangi siklus hidup baterai. Baterai aki memiliki tegangan puncak bervariasi pada suhu yang bervariasi saat pengisian ulang dan float charge. Menerapkan kompensasi suhu pada charger untuk menyesuaikan suhu ekstrim memperpanjang umur baterai hingga 15 persen. Ini benar jika dijalankan pada suhu tinggi. [4] 2.5 Metoda Maximum Power Point Tracker (MPPT) Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah converter DC ke DC efisiensi tinggi yang memberikan optimal beban listrik pada solar panel (sel PV) dan memberikan tegangan yang sesuai dengan beban. MPPT adalah sebuah metoda atau cara untuk menjejak letak titik maksimum dari kurva I-V pada sebuah
fotovoltaik yang selalu berubah secara dinamis mengikuti
perubahan intensitas matahari dan temperatur . Sel PV digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi untuk berbagai aplikasi. Untuk mendapatkan daya maksimum dari sel PV, digunakan maximum power point tracker (MPPT) untuk mengontrol karakteristik arus-tegangan dari sel PV tersebut.
16
Banyak teknik atau metoda MPPT yang telah dilakukan penelitian dan dipublikasikan, tetapi dari sekian banyak itu ada tiga algoritma utama yaitu:
Pertubation&Observatian (P&O), Incremental conductance (Inc) dan Constant Voltage (CV).
Dari ketiga algoritma di atas dua diantaranya yaitu P&O dan Inc biasa
disebut sebagai algoritma ‘Hill climbing’ yang dimana keduanya itu menggunakan
kenyataan dari karakteristik V-P dari fotovoltaik dan dikarenakan kesederhanaan dan kemudahannya untuk diterapkan maka kedua algoritma ini banyak digunakan.[2] Switch-mode
converter
adalah
pengubah
daya
DC-DC
(DC-DC
converter), tipe peralihan dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut berasal dari DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch)
seperti misalnya Thyristor,
MOSFET, IGBT, GTO. Secara umum ada dua fungsi pengoperasiaan dari DC Chopper yaitu penaikan tegangan dimana tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan dan penurunan tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan. Dilihat dari seting switch-mode dapat dibedakan atas, buck (step down) converter, boost (step up) converter, Buck-boost (step down/up) converter, dan Cuk converter. Buck dan boost merupakan topologi dasar dari converter, tetapi Buck-boost dan cuk merupakan kombinasi dari dari keduanya. Tujuan dari switch-mode ini untuk memberikan nilai output tegangan atau arus yang konstan. Pada MPPT, tujuannya adalah untuk menyesuaikan tegangan dan
17
atau arus pada sel PV agar bertahan pada titik maksimum, ketika tegangan output sesuai dengan tegangan baterai.
Gambar 2.9 Blok diagram penjejakan MPPT penurunan tegangan
Gambar 2.10 Penjejakan dari dP/dV pada posisi yang berbeda
Berdasarkan gambar 2.10 algoritma P&O, tegangan dijejak dengan kenaikan yang kecil dan perubahan daya P dapat diamati. Bila P positif berarti mendekati titik maksimum dan bila negatif berarti menjauh dari titik daya maksimum, sehingga penjejakan harus dikembalikan kearah yang berlawanan. Masalah yang dihadapi P&O adalah terjadinya osilasi disekitar titik daya maksimumnya.
18
Dalam kondisi saklar S=on, tegangan kapasitor VC diberikan oleh persamaan orde dua sebagai berikut :
LC
(2.9)
d 2Vc (t ) L dVc (t ) Vc (t ) Vs 0 dt 2 R dt
Bila diasumsikan tegangan kapasitor Vc konstan, maka persamaan 2.9 dapat disederhanakan dan besar arus induktor dapat dituliskan sebagai :
diL (t ) dt Vs Vo iL (t ) t I L ,0 L Vs Vo L
(2.10)
Dimana iL,0 adalah arus induktor mula (sebelum saklar on). Arus induktor meningkat secara linear terhadap waktu dan nilai iL maksimumnya, dimana tton= DT. Vs Vo DT I L,0 L V Vo I L I L I L,0 s DT L
(2.12)
I L (t )
(2.13)
Arus riak IL berbanding langsung dengan duty cycle (D) dan berbanding terbalik terhadap induktor L, sehingga besarnya dapat diatur dengan D atau dengan pemilihan nilai L. Bentuk gelombang arus induktor diperlihatkan pada gambar 2.11 [9]. iL IL,max Io
?IL
IL,min TOFF T ON
T
T+TON
2T
t
Gambar 2.11 Bentuk gelombag arus induktor buck konverter
Dalam kondisi S=off, arus induktor mengalir melalui dioda dan besarnya dinyatakan :
19
V0 L
V diL (t ) iL (t ) 0 t I L dt L
(2.14)
IL adalah arus induktor saat saklar baru terbuka dan menurun secara linear
menuju nilai minimalnya IL,0, dimana t toff = (1-D)T
Vo (1 D )T I L L V I L I L I L ,0 o (1 D )T L Dari persamaan 2.13 dan 2.16 diperoleh : I L ,0
(2.15) (2.16)
(2.17)
Vo DVS
Sedangkan besar arus beban rata-rata Io sama dengan arus dc yang mengalir melalui induktor, sehingga besar arus induktor maksimum dan minimum dapat dituliskan sebagai berikut : I L Vo Vo (1 D )T 2 R 2L V V I L o o (1 D )T 2 R 2L
I L ,maks I L , rata rata I L ,min I L , rata rata
(2.18) (2.19)
Dan dengan menganggap daya keluaran sama dengan daya masukan, maka diperoleh : I S DI o
(2.20)
Sementara itu perbedaan antara arus induktor dan beban, adalah arus kapasitor dengan amplitudo maksimum dan minimum :
I L Vo (1 D )T 2 2L V I L o (1 D )T 2 2L
I C ,maks
(2.21)
I C ,min
(2.22)
20
Bentuk gelombang arus kapasitor diperlihatkan pada gambar 2.12. iC
IL 2
t
IL 2
TL 2
Gambar 2.12 Bentuk gelombang arus kapasitor dalam rangkaian buck konverter
Algoritma Incremental conductance dijadikan acuan untuk melacak titik maksimum. Metoda ini menggunakan Power feedback kontrol dan voltage feedback kontrol sebagai variable kontrol. Kontrol daya dilakukan dengan mengatur agar derivative (dP/dV) sama dengan nol.[9] Secara
matematik,
Incremental
conductance
algoritma
dapat
dijabarkan sebagai berikut; P=VxI dP/dV = d (V I)/ dV = I dV/dV + V dI/dV = I + V dI/dV (I/V) dP/dV = (I/V) + dI/dV
(2.23)
(2.24)
Diasumsikan sumber conductance adalah ; G = I/V
(2.25)
Maka incremental conductance ∆G = dI/dV
(2.26)
Jadi dalam pelacakan titik daya maksimum dilihat dari gambar 2.10 berdasarkan dari persamaan 2.13 , 2.14 , 2.15 :
dP/dV > 0, if G > ∆G
(2.27)
dP/dV = 0, if G = ∆G
(2.28)
21
2.6 Prinsip Kerja Inverter
Inverter adalah perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus
listrik searah (DC) menjadi arus listrik bolak balik (AC). Inverter mengkonversi
DC dari perangkat seperti baterai, panel surya / solar cell menjadi AC.
Penggunaan inverter dari dalam Solar sel adalah untuk mensuplai beban ke
perangkat yang menggunakan AC (Alternating Current). [4]
Gambar 2.13 Rangkaian inverter
Rangkaian full bridge inverter (jembatan penuh) di tunjukkan pada gambar 2.11, Saklar 1 - 4 dan Saklar 2 - 3 dipicu agar bekerja bergantian, biasanya sering menggunakan MOSFET. Dimisalkan bahwa arah arus positif yang mengalir pada beban adalah kekanan dan arah arus negatif untuk arah arus ke kiri. Pada waktu 0 < t , T/3 saklar 1-4 ON dan saklar 2-3 OFF, arus akan mengalir melalui saklar 1 lalu ke beban dan mengalir melalui saklar 4 dan akhirnya ke ground. Sehingga terbentuk pulsa positif pada beban sebesar V seperti terlihat pada gambar 2.12. pada waktu T/2 < t < T saklar 2-3 ON dan saklar 1-4 OFF, arus akan mengalir melalaui saklar 2 lalu ke beban dan mengalir melalui saklar 3 dan akhirnya ke ground. Sehingga terbentuk pulsa positif pada beban sebesar –V.[4]
22
Gambar 2.14 Gelombang tegangan rangkaian inverter
VAB
= VA – VB
VAB(1) = +Vin – 0 VAB(2) = 0 – (+Vin) V AB
= VA – VB = V in
(2.29)
V BA
= VB – VA = –Vin
(2.30)
Dalam beberapa pemakaian di Industri sering dikehendaki untuk mengendalikan tegangan keluaran inverter. Terdapat beberapa teknik untuk mengendalikan teganagan keluaran inverter dan yang paling effisien adalah dengan cara modulasi lebar pulsa. Teknik yang umum di gunakan salah satunya menggunakan modulasi lebar pulsa. Disamping mempertahankan lebar pulsa sebagaimana modulasi lebar pulsa banyak, lebar tiap-tiap pulsa divariasikan sebanding dengan amplitudo gelombang sinus yang dievaluasi pada titik tengah pulsa yang sama. Faktor distorsi dan orde rendah dari harmonisa direduksi cukup berarti.
Gambar
2.15
menunjukan
pembangkitan
sinyal
gate
yang
membandingkan sinyal sinusoidal referensi dengan gelombang pembawa segitiga pada frekuensi fc. Tipe modulasi ini umumnya di gunakan di industri-industri dan umumnya di sebut SPWM. Frekuensi sinyal referensi fr menentukan frekuensi tegangan keluaran fo dan amplitudonya akan mengendalikan indeks modulasi
23
dengan efektif tegangan keluaran Vo. Jumlah pulsa tiap setengah siklus tergantung pada frekuensi pembawa.
Gambar 2.15 Modulasi lebar pulsa sinusoida
2.7 Metoda Boost Choper Boost chopper adalah suatu konverter untuk merubah energi listrik dari sistem tegangan DC yang dapat diubah dengan menaikkan tegangan dari tegangan sumber tanpa menggunakan transformator dan hanya menggunakan satu transistor yang mempunyai efisiensi tinggi untuk penyaklaran.[5]
Gambar 2.16 Rangkaian boost chopper
Dimana ; VL = Tegangan pada induktor Vd = Tegangan sumber Vo = Tegangan keluaran
24
Gambar 2.17 Rangkaian boost chopper ketika saklar on
Ketika transistor On maka VL = Vd
(2.31)
Pada Gambar 2.17 dan 2.18 memperlihatkan boost chopper menggunakan saklar. Prinsip operasi dapat dibagi atas dua mode operasi yaitu pada saat ON dan OFF. Pada saat saklar ON arus mengalir melalui induktor-saklar dan kembali ke sumber negatif. Pada perioda ini induktor akan menyimpan energi. Pada saat saklar OFF beban akan tersambung dengan sumber tegangan Vd dan pada saat yang bersamaan energi yang tersimpan pada induktor akan dilepaskan, sehingga tegangan keluaranVo adalah; Vo = Vd + L
(2.32)
Pada perioda ON energi yang tersimpan pada induktor adalah Wi = Vd . Il . ton
Gambar 2.18 Rangkaian boost chopper ketika saklar off
(2.33)
25
Ketika saklar off maka VL = Vd – Vo Vd ton + (Vd - Vo )toff = 0
Votoff = Vd ton + Vd toff
Votoff = Vd Ts
=
=
Vo =
(2.34)
Jika losses diabaikan : Pd = Po
Jika
= D
Vd I d = Vo I o
=
= (1-D)
=
(2.35)
Dimana : D = duty cycle Ts = waktu satu perioda t on = waktu ketika transistor on t off = waktu ketika transistor off Selama perioda OFF induktor akan melepaskan energinya secara linear dari Il ke I1 , oleh karena itu apabila Ton = D.T dan Toff = (1-D)T maka Vo = Besarnya kapasitor yang dapat dihitung ∆V = C=
. .
.
.∆
=
. . ∆
(2.36)
26
2.8 PSIM
PSIM adalah perangkat lunak simulasi yang khusus dirancang untuk
elektronika daya dan kontrol motor. PSIM menyediakan fungsi sub circuit yang
memungkinkan bagian dari sirkuit untuk diwakili oleh sebuah blok sub circuit.
Dengan simulasi cepat dan antar muka user friendly, PSIM menyediakan
lingkungan simulasi yang kuat untuk elektronika daya, kontrol analog dan digital, kemaknitan, drive motor dan studi sistem dinamis.
2.9 Prinsip Kerja MOSFET
MOSFET merupakan komponen yang terdiri dari tiga terminal yang disebut gerbang, drain dan sumber. Antara drain dan sumber ada bahan sub strat. Bahan sub strat ini yang akan mengalirkan arus dari drain ke sumber. Konduktifitas bahan substrat ditentukan oleh tegangan yang diberikan antara gate dan sumber. G erb an g D r a in
Sum ber
n
n bahan su b stra t
Gambar 2.19 Konstruksi MOSFET
MOSFET dikendalikan oleh tegangan dan memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor yang sangat kecil pada orde nano Ampere. Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang sangat tinggi. Tetapi masih bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber. Hal ini akan mempengaruhi sifat konduktivitas substrat yang ada didalam MOSFET. MOSFET memiliki masalah pengosongan elektro statis karena substrat yang didalamnya bersifat penyimpan muatan. Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat mengalirkan arus jika
27
diberikan tegangan gerbang-sumber (VGS) yang lebih besar dari tegangan konduksi (VT). Saat VGS < VT maka MOSFET OFF, saat VGS > VT maka
MOSFET ON. Kecepatan switching sangat tinggi dalam orde nano detik. Dalam aplikasinya penulis menggunakan MOSFET enhancement tipe kanal-n.[9]
2.9.1 MOSFET Enhancement Mode
MOSFET tipe enhancement tidak memiliki kanal doping yang
menghubungkan antara silicon drain dan sumber secara fisik. Kanal akan
terbentuk dengan memberikan VGS. MOSFET tipe enhancement bisa diibaratkan
sebuah saklar terbuka, yang akan tertutup apabila diberi VGS yang lebih dari tegangan konduksi MOSFET itu sendiri. 2.9.2 MOSFET Tipe Enhancement Kanal-n Konstruksi rangkaian MOSFET tipe enhancement kanal-n yaitu:
Gambar 2.20 Konstruksi dan rangakaian MOSFET tipe kanal-n
Pada MOSFET tipe enhancement kanal-n. tegangan pada drain lebih positif dari pada tegangan pada sumber. Dan sumber diberi tegangan yang lebih negatif dari pada gate. Jika VGS diset pada 0V maka arus keluaran (ID) yang di hasilkan 0A (MOSFET OFF). MOSFET akan mengalirkan arus apabila diberi VGS yang lebih besar dari tegangan konduksi/disebutkan juga tegangan Tresh hold (VT). arus akan mengalir dari drain ke sumber. Apabila VGS diperbesar terus maka Arus drain ID akan lebih besar. [9]
28
2.10 Pengaman
Pengaman adalah suatu peralatan listrik yang digunakan untuk melindungi
komponen listrik dari kerusakan yang diakibatkan oleh gangguan seperti arus
beban lebih ataupun arus hubung singkat. Pengaman dapat berupa peralatan
kontak yang dilengkapi relay maupun kawat lebur (sekering).
Fungsi dari pengaman dalam tenaga listrik adalah:
1. Isolasi, yaitu untuk memisahkan instalasi atau bagiannya dari catu daya listrik untuk alasan keselamatan. 2. Kontrol, yaitu untuk membuka atau menutup sirkit instalasi selama kondisi operasi normal untuk tujuan operasi dan perawatan. 3. Proteksi, yaitu untuk pengaman kabel, peralatan listrik dan manusianya terhadap kondisi tidak normal seperti beban lebih, hubung singkat dengan memutuskan arus gangguan dan mengisolasi gangguan yang terjadi. Pengaman untuk peralatan listrik dalam sistem distribusi tegangan rendah
terdiri dari dua yaitu untuk hubung singkat dan pengaman dari arus lebih, yang memiliki setting yang berbeda.[8] Rancangan instalasi harus memenuhi ketentuan PUIL dan peraturan lain (PUIL 2000) persyaratan yang dimaksudkan dalam pasal ini dimaksudkan untuk menjamin keselamatan manusia, dan ternak dan keamanan harta benda yang ditimbulkan oleh penggunaan instalasi listrik secara wajar [8] 2.10.1 Sekering Tabung Sekering adalah alat pemutus rangkaian karena adanya pemakaian arus yang berlebihan. Terjadinya arus lebih karena adanya hubungan singkat ( short circuit ) maupun karena kelebihan beban (over load). Dalam beberapa sekering dipasang kawat perak yang sangat tipis sampai yang tebal sebagai sambungan sekering, sehingga kawat tersebut mudah putus karena meleleh sebab dilewati arus yang melebihi kapasitas dari kawat tersebut. Elemen sekering terwadahi dalam tabung gelas atau keramik yang teramankan hingga ke ujungnya dengan
29
kokoh terpasang pada badan sekering sehingga tidak akan putus pada saat sekering beroperasi. Dengan sekering tabung ukuran besar, tandanya biasanya
diukirkan keujung tabung untuk memasang sekering tabung secara mekanik kewadahnya.
Keuntungan sekering tabung tidak memiliki bagian mekanis yang
bergerak, nilainya yang dinyatakan akurat, elemenya tidak melemah karena usia, dan memiliki ukuran fisik yang kecil dan tidak ada lucutan eksternal sehingga
membolehkan sekering tabung digunakan pada ujung stop kontak dan wadah sekering itu. Selain itu sekering tabung juga operasinya lebih cepat daripada
sekering yang dapat dipasang kembali. Waktu operasi biasanya berbanding terbalik dengan arus yang rusak.[7]
Sumber : elektronikabersama.web.id
gambar 2.21 Bentuk sekering
Adapun sekering juga memiliki kerugian yaitu tidak cocok untuk situasi di mana arus rusak bernilai tinggi mungkin,dan tabungnya dapat dihubung pendekan dengan kabel atau lapisan perak dalam kasus praktek yang sangat buruk. 2.10.2 Dioda Dioda adalah suatu bahan semikonduktor yang dibuat dari bahan yang disebut PN Junction yaitu suatu bahan campuran yang terdiri dari bahan positif(P type) dan bahan negatif (N type). a. Bahan positif (P type) adalah bahan campuran yang terdiri dari Germanium atau Silikon dengan Almunium yang mempunyai sifat kekurangan electron dan bersifat positif. b. Bahan negative ( N type ) adalah bahan campuran yang terdiri dari Germanium atau Silikon dengan Fosfor yang mempunyai kelebihanelectron dan bersifat negatif.
30
Gambar 2.22 Prinsip dan simbol dioda
Bila anoda dibuat positif relatif terhadap katoda, hubunganya akan
memiliki hambatan yang sangat kecil dan arus akan mengalir. Ini disebut sebagai bias maju.akan tetapi bila bias balik diberikan, yaitu bila anoda dibuat negatif relatif terhadap katoda, hambatan sambungan akan besar dan tidak ada arus yang
dapat mengalir.[7]
2.11
Penghantar Penghantar adalah benda logam atau bukan logam yang bersifat
menyalurkan alur listrik misalnya baja aluminium, besi, karbon. Sedangkan fungsi penghantar adalah untuk menyalurkan energi listrik dari satu titik ke titik yang lain. Penghantar yang digunakan untuk instalasi listrik adalah berisolasi dan dapat berupa kawat berisolasi atau kabel. 2.11.1 Bahan Penghantar Bahan penghantar yang digunakan untuk instalasi solar sel mengacu pada standar Amerika (National Electric Code) dan dan menggunakan PUIL 2000. Jenis kawat berisolasi maupun kabel untuk instalasi listrik yang digunakan harus dibuat dari bahan yang memenuhi syarat, sesuai dengan tujuan penggunaanya, serta telah diperiksa dan diuji menurut standar hantaran yang dikeluarkan atau diakui oleh instansi yang berwenang ( PUIL 2000 pasal 7.1.1.1). Ada empat item yang harus diperhatikan dalam instalasi solar sel yaitu nilai arus, tegangan pengenal, tegangan open cirkuit (Voc) dan arus short cirkuit (Isc) [nec 690.53 tahun 2008]. Dalam menentukan penghantar yaitu Imaks = 1,25 x Isc [NEC 690.8A] dan arus ampacity nya yaitu = Imaks x 1,25 [NEC 690.8B]. Umumnya penghantar yang digunakan terbuat dari bahan tembaga dan aluminium, sedangkan isolasi dan selubungnya terbuat dari bahan PVC, karet . tembaga atau
31
aluminium yang digunakan harus mempunyai kemurnian yang tinggi.dan mencapai 99% sehingga daya hantarnya tinggi.[7] Jenis Penghantar 2.11.2
a) Kabel instalasi, yaitu kabel yang dimaksudkan untuk instalasi tetap, misalnya NYA, NYM.
b) Kabel tanah, yaitu semua jenis hantaran berisolasi dan berselubung yang
karena sifat isolasi dan selubungnya boleh dipasang didalam tanah, misalnya NYY.
Jenis-jenis kabel yang digunakan biasanya memiliki nama yang merupakan arti dari jenis kabel tersebut. Berikut ini beberapa pengertian dari simbol yang biasa dituliskan dalam penulisan penghantar, antara lain: N
:Kabel jenis standar dengan penghantar tembaga.
Y
: Isolasi atau selubung PVC.
2.12 Pengertian Operational Amplifier Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dipakai antara lain adalah rangkaian invering, non-inverting dan summer.
Gambar 2.23 Rangkaian Op amp
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang
32
dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya.
2.12.1
Rangkaian Penguat Inverting
Penguat inverting adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal
dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input. jadi ada tanda
minus pada rumus penguatannya, dimana besarnya tegangan keluaran Vo adalah : I=-I
=
=
(2.37)
Gambar 2.24 Rangkaian penguat inverting
2.12.2
Rangkaian Penguat Non Inverting
Penguat tidak membalik adalah penggunaan op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya sefasa dengan sinyal input. Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan non inverting.
33
Gambar 2.25 Rangkaian penguat non inverting
Rumusnya seperti berikut :
Vo = Vo = (
Vi + 1) Vi
(2.38)
Hasil tegangan output non inverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif. 2.11.3
Rangkaian Penguat Penjumlah (adder/summer)
Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah yang dasar rangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya adalah dikalikan dengan penguatan
seperti pada rangkaian inverting. Pada
dasarnya nilai outputnya adalah jumlah dari penguatan masing masing dari inverting
34
Gambar 2.26 Rangkaian penguat summing
Rumus persamaannya seperti berikut : Vo = -
(
Vi +
Vb+
Vc)
(2.39)
Rangkaian penjumlah dengan menggunakan non inverting sangat susah dilakukan karena tegangan yang diparalel akan menjadi tegangan terkecil yang ada, sehingga sulit terjadi proses penjumlahan. 2.13
Prinsip Kerja Komparator Tegangan Komparator tegangan adalah sebuah rangkaian yang dapat membandingkan
besar tegangan masukan. Komparator tegangan biasanya menggunakan Op-Amp sebagai piranti utama dalam rangkaian. Ada dua jenis komparator tegangan, yaitu komparator tegangan sederhana, dan komparator tegangan dengan histerisis.
Gambar 2.26 Rangkaian komparator tegangan
35
Vref di hubungkan ke +V supply, kemudian R1 dan R2 digunakan sebagai pembagi tegangan, sehingga nilai tegangan yang di referensikan pada masukan +
op-amp adalah sebesar :
V = [R1/(R1+R2) ] * Vsupply
Op-amp tersebut akan membandingkan nilai tegangan pada kedua
masukannya, apabila masukan (-) lebih besar dari masukan (+) maka, keluaran
op-amp akan menjadi sama dengan – Vsupply, apabila tegangan masukan (-) lebih dari masukan (+) maka keluaran op-amp akan menjadi sama dengan + kecil
Vsupply. Jadi dalam hal ini jika Vinput lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi – Vsupply, jika sebaliknya, Vinput lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi + Vsupply.
