new rancang bangun sumber tegangan tinggi (high …digilib.unila.ac.id/56984/3/skripsi tanpa bab...
TRANSCRIPT
RANCANG BANGUN SUMBER TEGANGAN TINGGI (HIGH VOLTAGE)
20 KV DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS ARDUINO UNTUK APLIKASI MESIN
PEMINTAL SERAT NANO
(Skripsi)
Oleh
YULIYAN DWI PRABOWO
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
i
ABSTRAK
RANCANG BANGUN SUMBER TEGANGAN TINGGI (HIGH VOLTAGE)
20 KV DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS ARDUINO UNTUK APLIKASI MESIN
PEMINTAL SERAT NANO
Oleh
YULIYAN DWI PRABOWO
Penelitian tentang serat nano banyak dikembangkan untuk berbagai kebutuhan.
Serat nano dapat dibuat menggunakan metode Electrospinning yang menerapkan
sumber tegangan tinggi. Tegangan tinggi yang dibutuhkan berkisar 15-20 kilovolt
(kV) dan dibuat agar dapat disesuaikan dengan jenis larutan dan kondisi saat
pembentukan serat nano. Pada penelitian ini, dirancang sumber tegangan tinggi
menggunakan Transformator Flyback (TFB). TFB memungkinkan untuk
membuat sumber tegangan tinggi dengan cara yang sederhana, efisien dan
menghasilkan tegangan keluaran yang besar. Selain itu, bahan-bahan yang
dibutuhkan murah dan mudah didapatkan. Arduino nano sebagai penghasil PWM
digunakan untuk mengontrol keluaran tegangan tinggi TFB berdasarkan nilai duty
cycle dan frekuensi. PWM Arduino menggerakkan MOSFET fast switching
sehingga menghasilkan frekuensi pada tegangan DC yang memungkinkan arus
mengalir dan menginduksi lilitan primer flyback. Hasil penelitian menunjukkan
bahwa duty cycle dan frekuensi mempengaruhi keluaran tegangan tinggi.
Keluaran tegangan tinggi yang dihasilkan dapat diatur dari 1,25-21 kV dengan
mengubah nilai PWM dari Arduino nano. Sumber tegangan tinggi yang telah
dibuat memiliki tingkat akurasi sebesar 96,696% dan presisi sebesar 1,04% yang
dinyatakan dengan Koefisien Variasi.
Kata kunci: High Voltage, Transformator Flyback, Pulse Width Modulation,
Electrospinning, Serat Nano
ii
ABSTRACT
DESIGNING OF A HIGH VOLTAGE 20 KV USING PULSE WIDTH
MODULATION (PWM) TECHNIQUES BASED ON ARDUINO FOR
ELECTROSPINNING APPLICATION
By
YULIYAN DWI PRABOWO
Research on nanofibers has been developed for various needs. Nanofibers can be
made using the Electrospinning method that applies high voltage sources. The
high voltage needed ranges from 15-20 kilovolts (kV) and is made so that it can
be adapted to the type of solution and the conditions at which nanofibers are
formed. In this study, a high voltage source was designed using the Flyback
Transformer (FBT). FBT makes it possible to create high voltage sources in a
simple, efficient way and produce a large output voltage. In addition, the
materials needed are cheap and easy to obtain. Arduino nano as a PWM
generator is used to control the FBT high voltage output based on the value of the
duty cycle and frequency. The Arduino PWM drives a fast switching MOSFET
resulting in a frequency at DC voltage that allows current to flow and induces
primary flyback windings. The results show that the duty cycle and frequency
affect the high voltage output. The resulting high voltage output can be adjusted
from 1.25-21 kV by changing the PWM value of Arduino nano. The high voltage
source that has been made has an accuracy rate of 96.696% and a precision of
1.04% which is expressed by the coefficient of variation.
Keywords: High Voltage, Flyback Transformer, Pulse Width Modulation,
Electrospinning, Nanofibers
iii
HALAMAN JUDUL
RANCANG BANGUN SUMBER TEGANGAN TINGGI (HIGH VOLTAGE)
20 KV DENGAN TEKNIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS ARDUINO UNTUK APLIKASI MESIN
PEMINTAL SERAT NANO
Oleh
YULIYAN DWI PRABOWO
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar
SARJANA SAINS
Pada
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG
2019
vii
RIWAYAT HIDUP
Yuliyan Dwi Prabowo dilahirkan di Tulang Bawang (saat
ini Tulang Bawang Barat), Provinsi Lampung pada 8 Juli
1997. Ia merupakan anak kedua dari tiga bersaudara
pasangan Bapak Karyanto dan Ibu Tuginem. Penulis yang
sering disapa “Iyan” pernah menempuh pendidikan di SD
Negeri 1 Margodadi tahun 2003-2009, SMP Negeri 1 Tumijajar tahun 2009-
2012, dan melanjutkan ke SMA Negeri 1 Terbanggi Besar pada program
Akselerasi tahun 2012-2014.
Pada tahun 2014, penulis melanjutkan jenjang pendidikan tinggi tepatnya di
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA),
Universitas Lampung dan mengambil konsentrasi dalam bidang Instrumentasi
Fisika. Selama menjalani pendidikan tinggi tersebut, ia juga aktif dalam organisasi
Himpunan Mahasiswa Fisika (HIMAFI) sebagai pengurus di bidang Sains dan
Teknologi tahun 2015 dan pernah menjabat sebagai Ketua Bidang Sains dan
Teknologi pada kepengurusan tahun 2016. Selain itu penulis juga pernah
menjabat sebagai Ketua bidang Proyek dan Aplikasi Physics Instrumentation
Club (PIC) tahun 2015 dan Ketua Umum Physics Instrumentation Club tahun
2018.
viii
Penulis pernah menempuh Praktik Kerja Lapangan (PKL) di Perusahaan Daerah
Air Minum (PDAM) Way Rilau Kota Bandar Lampung dan melaksanakan Kuliah
Kerja Nyata (KKN) di Desa Pisang, Kecamatan Penengahan, Kabupaten
Lampung Selatan. Pengalaman menulis ilmiahnya yakni laporan PKL pada tahun
2017 tentang “Analisis Perbandingan Debit Air Antara Metode Trapesium
(Cipoletti Weir) dengan Metode Segiempat (Rectangle Weir) pada Instalasi
Pengolahan Air (IPA)”.
ix
MOTTO
“Sebaik-baik manusia adalah yang paling bermanfaat bagi manusia”
(HR. Ahmad, ath-Thabrani, ad-Daruqutni. Hadits ini dihasankan oleh al-Albani di dalam Shahihul Jami’ no:3289).
“Try not to become a man of success, but rather try to become
a man of value”
(Albert Einstein)
“Do your best at any moment that you have”
“Jangan pernah merasa jadi orang yang paling lelah”
x
PERSEMBAHAN
Dengan penuh rasa syukur kepada Allah SWT, Karya ini
dipersembahkan kepada:
Kedua Orang Tua dan Keluarga Besar Bani Wongsoharjo
Terimakasih atas segala Doa, motivasi dan pengorbanan yang telah diberikan
sehingga aku mampu menyelesaikan pendidikan di tingkat Universitas sebagai
Sarjana.
Bapak-Ibu Guru
Terimakasih atas segala ilmu pengetahuan dan budi pekerti yang telah membuka
hati dan wawasanku
Sahabat dan Teman Seperjuangan
Terimakasih atas segala kebaikan dan kebersamaan kalian
Almamaterku Tercinta
UNIVERSITAS LAMPUNG
xi
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis ucapkan atas karunia dan kesempatan yang Allah SWT
berikan hingga akhirnya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Rancang
Bangun Sumber Tegangan Tinggi (High Voltage) 20 kV dengan Teknik Pulse
Width Modulation (PWM) Berbasis Arduino untuk Aplikasi Mesin Pemintal
Serat Nano”. Tujuan penulisan skripsi ini sebagai salah satu persyaratan untuk
mendapatkan gelar S1 dan juga melatih mahasiswa untuk berpikir cerdas dalam
penulisan karya ilmiah ini.
Penulis menyadari adanya kekurangan dalam penelitian maupun penulisan skripsi
ini. Oleh karena itu, adanya kritik dan saran dari pembaca sangat diharapkan
untuk memperbaiki kekurangan tersebut. Semoga skripsi ini dapat menambah
wawasan literasi keilmuan serta rujukan untuk mengembangkan riset selanjutnya
yang lebih baik.
Bandar Lampung, 27 Mei 2019
Penulis
Yuliyan Dwi Prabowo
xii
SANWACANA
Puji syukur penulis ucapkan atas karunia dan kesempatan yang Allah SWT
berikan hingga akhirnya dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Rancang
Bangun Sumber Tegangan Tinggi (High Voltage) 20 kV dengan Teknik Pulse
Width Modulation (PWM) Berbasis Arduino untuk Aplikasi Mesin Pemintal
Serat Nano”. Berhasilnya penelitian dan penulisan skripsi ini tidak hanya
dilakukan oleh penulis sendiri namun adanya kontribusi beberapa pihak yang turut
menyukseskan dan membuat hasil karya ini menjadi lebih baik. Ucapan terima
kasih penulis sampaikan kepada pihak-pihak yang telah ikut serta membantu
penulis, diantaranya:
1. Bapak Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Eng. selaku Dosen Pembimbing I dan
Ketua Jurusan Fisika, yang telah memberikan ilmu serta masukannya dalam
pelaksanaan penelitian dan penulisan skripsi.
2. Dr. Junaidi, S.Si., M.Sc. selaku Dosen Pembimbing II atas segala ilmu,
saran dan bimbingannya selama pelaksanaan penelitian dan penulisan
skripsi.
3. Ibu Sri Wahyu Suciyati, S.Si., M.Si. selaku dosen penguji atas masukan
yang telah diberikan sehingga penulisan skripsi ini dapat lebih baik.
xiii
4. Drs. Suratman, M.Sc. selaku Dekan serta staf dan karyawan Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
5. Para Dosen Jurusan Fisika atas ilmu pengetahuan yang diberikan sebagai
penunjang bagi penulis dalam menyelesaikan pendidikan di Universitas
Lampung dan bekal untuk masa mendatang.
6. Kedua Orang Tua dan keluarga besar Bani Wongsoharjo yang telah banyak
memberikan dukungan secara moril dan materil, senantiasa terus
mendoakan dan memberi semangat.
7. Rekan penelitian, Angga Wahyu Pratama, Khoirul Effendi, Tomi Mandala
Putra, Doni Mailana Pangestu, dan Hesti Wahyu Handani yang sudah
berjuang sama-sama, saling memberi motivasi, dan selalu membantu.
8. Teman terdekat Ni’matil Mabarroh dan Nola Fricilia yang telah banyak
membantu dan memberikan semangat.
9. Teman-teman seperjuangan Fisika 2014 dan #SahabatHimafi, yang telah
membantu serta memberi makna tentang solidaritas, kepedulian dan
kekeluargaan.
Serta berbagai pihak yang telah ikut serta membantu dalam menyelesaikan skripsi
dan masa studi penulis yang tidak dapat disebutkan satu-persatu. Semoga Allah
SWT membalas dengan kebaikan dan kemudahan dalam segala urusannya.
Bandar lampung, 27 Mei 2019
Penulis
Yuliyan Dwi Prabowo
xiv
DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ......................................................................................................... i
ABSTRACT ....................................................................................................... ii
HALAMAN JUDUL ......................................................................................... iii
LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. iv
LEMBAR PENGESAHAN .............................................................................. v
HALAMAN PERNYATAAN ........................................................................... vi
RIWAYAT HIDUP ........................................................................................... vii
MOTTO ............................................................................................................. ix
PERSEMBAHAN .............................................................................................. x
KATA PENGANTAR ....................................................................................... xi
SANWACANA .................................................................................................. xii
DAFTAR ISI ...................................................................................................... xiv
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xvi
DAFTAR TABEL ............................................................................................. xix
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang ...................................................................................... 1
B. Rumusan Masalah ................................................................................. 4
C. Tujuan Penelitian .................................................................................. 4
D. Manfaat Penelitian ................................................................................ 4
E. Batasan Masalah ................................................................................... 5
xv
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkait .................................................................................. 6
B. Switching Transistor.............................................................................. 8
C. Transformator Flyback (TFB)............................................................... 11
D. Pulse Width Modulation (PWM) .......................................................... 15
E. Arduino Nano........................................................................................ 17
F. Seven segment dengan IC MAX7219 ................................................... 21
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat ................................................................................ 25
B. Alat dan Bahan ...................................................................................... 25
C. Prosedur Penelitian ............................................................................... 27
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Perancangan Sistem .............................................................................. 45
B. Pengujian dan Analisis Data ................................................................. 63
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ........................................................................................... 75
B. Saran ..................................................................................................... 76
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xvi
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Diagram blok rancangan power supply tegangan tinggi ............. 7
Gambar 2.2 Rangkaian switching transistor .................................................... 9
Gambar 2.3 Flyback regulator ........................................................................ 9
Gambar 2.4 Rangkaian flyback converter dengan zero voltage switching ...... 11
Gambar 2.5 Transformator flyback televisi ..................................................... 12
Gambar 2.6 Konfigurasi pin transformator flyback......................................... 13
Gambar 2.7 Pulsa Pulse Width Modulation .................................................... 15
Gambar 2.8 Perbandingan nilai duty cycle dengan nilai PWM 8 bit .............. 17
Gambar 2.9 Pin out ATMega38P tipe SMD ................................................... 19
Gambar 2.10 Skematik rangkaian keseluruhan Arduino Nano ......................... 20
Gambar 2.11 Seven segment satu digit (a) skema pin (b) bentuk fisik ............. 21
Gambar 2.12 Skema rangkaian (a) common anode (b) common cathode ......... 22
Gambar 2.13 IC MAX7219 (a) Konfigurasi pin (b) Bentuk fisik ..................... 23
Gambar 2.14 Skema rangkaian 8 digit seven segment dengan IC
MAX7219 .................................................................................... 24
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian ............................................................... 28
Gambar 3.2 Diagram blok perangkat keras sumber tegangan tinggi .............. 29
Gambar 3.3 Rangkaian voltage regulator 5 V dan 9 V................................... 30
Gambar 3.4 Rangkaian Driver ........................................................................ 32
xvii
Gambar 3.5 Simbol Transformator flyback (TFB) .......................................... 33
Gambar 3.6 Arduino nano ............................................................................... 33
Gambar 3.7 Sistem kontrol sumber tegangan tinggi ....................................... 34
Gambar 3.8 Rangkaian keseluruhan sumber tegangan tinggi ......................... 36
Gambar 3.9 Diagram alir program .................................................................. 37
Gambar 3.10 Grafik hubungan perubahan tegangan tinggi terhadap duty
cycle ............................................................................................. 42
Gambar 4.1 Sumber tegangan tinggi 20 kV .................................................... 45
Gambar 4.2 Power supply 24V dan 12 V ........................................................ 46
Gambar 4.3 Grafik pengujian stabilitas tegangan keluaran power supply
(a) 12 V dan (b) 24 V .................................................................. 47
Gambar 4.4 Grafik pengujian stabilitas tegangan keluaran regulator
(a) 5 V dan (b) 9 V ...................................................................... 48
Gambar 4.5 Realisasi driver flyback dan regulator 5V/9V ............................. 49
Gambar 4.6 Realisasi rangkaian sistem kontrol .............................................. 50
Gambar 4.7 Keypad 4x4 dengan I2C PCF8574 .............................................. 51
Gambar 4.8 Realisasi rangkaian seven segment MAX7219 ............................ 55
Gambar 4.9 Grafik hubungan duty cycle terhadap tegangan keluaran
Arduino ........................................................................................ 56
Gambar 4.10 Grafik hubungan jumlah lilitan primer terhadap keluaran
tegangan tinggi ............................................................................ 64
Gambar 4.11 Grafik hubungan duty cycle terhadap keluaran tegangan
tinggi dengan variasi jumlah lilitan ............................................. 64
Gambar 4.12 Grafik hubungan frekuensi terhadap keluaran tegangan
tinggi ............................................................................................ 66
Gambar 4.13 Grafik hubungan duty cycle terhadap keluaran tegangan
tinggi dengan variasi frekuensi .................................................... 67
Gambar 4.14 Grafik hubungan duty cycle terdapat (a) keluaran tegangan
tinggi dan (b) keluaran tegangan driver ...................................... 68
Gambar 4.15 Persamaan garis pada grafik hubungan duty cycle terhadap
keluaran tegangan tinggi.............................................................. 70
xviii
Gambar 4.16 Grafik hubungan masukan nilai tegangan tinggi terhadap
keluaran tegangan tinggi.............................................................. 72
Gambar 4.17 Grafik pengujian stabilitas keluaran tegangan tinggi .................. 74
xix
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Spesifikasi Arduino Nano ................................................................. 19
Tabel 3.1 Alat-alat Penelitian ............................................................................ 25
Tabel 3.2 Bahan-bahan penelitian ..................................................................... 26
Tabel 3.3 Perangkat lunak yang digunakan....................................................... 27
Tabel 3.4 Stabilitas keluaran power supply ....................................................... 39
Tabel 3.5 Stabilitas keluaran regulator ............................................................. 39
Tabel 3.6 Pengaruh jumlah lilitan primer terhadap keluaran tegangan
tinggi dengan duty cycle 0-100% ...................................................... 40
Tabel 3.7 Pengaruh frekuensi terhadap keluaran tegangan tinggi
dengan duty cycle 0-100%................................................................. 41
Tabel 3.8 Perubahan tegangan keluaran pada Arduino, driver dan
keluaran tegangan tinggi terhadap duty cycle ................................... 41
Tabel 3.9 Perbandingan keluaran tegangan tinggi terhadap masukan
tegangan tinggi .................................................................................. 43
Tabel 3.10 Stabilitas keluaran tegangan tinggi ................................................... 44
Tabel 4.1 Fungsi masing-masing tombol pada keypad ..................................... 51
1. I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Nanoteknologi saat ini menjadi objek penelitian yang sangat berpotensi untuk
dikembangkan. Perkembangan nanoteknologi sangatlah luas dan menyentuh
berbagai aspek kehidupan manusia. Salah satu bidang nanoteknologi yang banyak
dikembangkan adalah pembuatan serat nano. Serat nano adalah serat yang
memiliki diameter kurang dari 100 nanometer. Ukuran tersebut menjadikannya
sebagai material unggul yang banyak digunakan untuk aplikasi rekayasa jaringan
tulang, pembalut luka (Yoshimoto dkk., 2003; Wnek dkk., 2003), nanomedik
(Kawasaki dan Player, 2005), nanokomposit (Huang dkk., 2003) dan membran
filtrasi nanopartikel (Yun dkk., 2007; Rajak dkk., 2016). Serat nano dapat dibuat
dengan beberapa metode diantaranya Centrifugal Spinning, Template Synthesis,
Meltblown Technology dan Electrospinning (Almetwally dkk., 2017). Dari
beberapa metode tersebut, metode Electrospinning merupakan metode yang
paling efisien dan sederhana untuk membuat serat nano dari berbagai material
yang meliputi polimer, komposit dan keramik (Huang dkk., 2003; Li dan Xia,
2004).
Electrospinning secara umum terdiri dari tiga komponen yaitu sumber tegangan
tinggi DC, syringe pump, dan collector plate atau collector drum. Sumber
2
tegangan tinggi merupakan alat yang berfungsi untuk menghasilkan medan
elektrostatik atau gaya Coulomb pada larutan yang dikeluarkan oleh syringe
pump, sehingga dihasilkan serat nano yang akan ditangkap atau dipintal oleh
collector (Li dkk., 2002). Fungsi tersebut dapat diartikan bahwa sumber tegangan
tinggi memiliki peran yang sangat penting dalam alat Electrospinning. Tegangan
tinggi yang dibutuhkan berkisar 15-20 kilovolt (kV), dan dibuat agar dapat
disesuaikan dengan jenis larutan, jarak syringe pump-collector, flow rate larutan,
dan temperatur saat pembentukan serat nano (Wahyudi dan Sugiyana, 2011).
Penelitian tentang sumber tegangan tinggi telah dilakukan sebelumnya dengan
beberapa metode, seperti transistor avalanche (Tamuri dkk., 2009), rangkaian
pengganda tegangan (Hsu dkk., 2017), dan transformator flyback (TFB) tegangan
tinggi (Hong dkk., 2010; Munir dkk., 2015; Habsari dkk., 2017). Berdasarkan
beberapa metode tersebut, metode TFB memungkinkan untuk membuat sumber
tegangan tinggi dengan cara yang sederhana, efisien dan menghasilkan tegangan
keluaran yang besar jika dibandingkan dengan metode lainnya. Selain itu, bahan-
bahan yang dibutuhkan relatif murah dan mudah didapatkan di pasaran (Miyan
dkk., 2012; Munir dkk., 2015). TFB dapat berkerja apabila diberikan sinyal
masukan yang berubah frekuensinya pada lilitan primer, sehingga menimbulkan
medan magnet di dalamnya. Oleh karena itu diperlukan peralatan switching untuk
membangkitkan frekuensi yang tinggi sebagai masukan ke TFB.
Menurut Sukaryono dan Kurnia (2014), switching adalah teknik yang
memanfaatkan transistor dengan kemampuan fast switching untuk
menghubungkan dan memutuskan arus menuju beban pada kondisi transistor cut
off dan saturation. Untuk menggerakkan transistor dan menjadikannya sebagai
3
switch digunakan peralatan yang dapat menghasilkan pulsa pulse width
modulation (PWM). Peralatan yang umum digunakan untuk menghasilkan PWM
adalah pembangkit pulsa IC555 (Sukaryono dan Kurnia, 2014; Yunus dkk., 2016),
IC TL494 (Munir dkk., 2015) dan mikrokontroler Arduino. Dari ketiga peralatan
tersebut, mikrokontroler Arduino lebih mudah digunakan, akurat dan memiliki
interval frekuensi yang besar. Disisi lain Arduino juga dapat dimanfaatkan untuk
menampilkan nilai tegangan tinggi dan waktu kerja pada piranti penampil seven
segment.
Berdasarkan uraian tersebut, maka pada penelitian ini akan dibuat sumber
tegangan tinggi sebesar 0-20 kV menggunakan TFB untuk aplikasi mesin
pemintal serat nano. Tujuan dilakukannya penelitian ini untuk membuat sumber
tegangan tinggi yang memiliki tingkat akurasi dan stabilitas yang tinggi, serta
menganalisis hubungan frekuensi dan duty cycle terhadap tegangan tinggi dari
TFB. Sumber tegangan DC dari switching mode power supply (SMPS) sebesar 24
V akan di switching menggunakan MOSFET fast switching tipe IRFP450 dan
IRFP260. Pulsa PWM dari Arduino menggerakkan MOSFET dan menjadikannya
sebagai saklar (switch) yang dapat memutuskan dan menghubungkan tegangan
dengan sangat cepat. Switching tersebut menghasilkan frekuensi pada tegangan
DC yang memungkinkan arus mengalir dan menginduksi lilitan primer flyback.
Sumber tegangan tinggi dilengkapi dengan keypad untuk mengontrol nilai
tegangan tinggi dan waktu kerja alat. Nilai tegangan tinggi dan waktu kerja akan
ditampilkan pada 8 digit seven segment dengan IC shift register MAX7219.
Pengukuran tegangan tinggi dilakukan menggunakan multimeter dan Probe
4
khusus tegangan tinggi merek Lutron HV-40 kV yang memiliki nilai impedansi
sebesar 1 GOhm.
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah dalam penelitian ini adalah:
1. Bagaimana membuat sumber tegangan tinggi 0-20 kV menggunakan TFB
dengan teknik PWM Arduino yang memiliki tingkat akurasi dan stabilitas
yang tinggi?
2. Bagaimana menganalisis hubungan frekuensi dan duty cycle terhadap
tegangan tinggi dari TFB?
C. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
1. Membuat sumber tegangan tinggi 0-20 kV menggunakan TFB dengan teknik
PWM Arduino yang memiliki tingkat akurasi dan stabilitas yang tinggi.
2. Menganalisis hubungan frekuensi dan duty cycle terhadap tegangan tinggi
dari TFB.
D. Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah untuk merealisasikan sumber tegangan tinggi
sebesar 0-20 kV menggunakan TFB dengan teknik PWM Arduino untuk berbagai
kebutuhan khususnya untuk aplikasi mesin pemintal serat nano.
5
E. Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Tegangan tinggi dibuat dengan rentang tegangan 0-20 kV.
2. Sumber tegangan DC berasal dari SMPS sebesar 24 V.
3. Tegangan SMPS akan di switching dengan teknik PWM Arduino.
4. Arduino yang digunakan yaitu Arduino tipe Nano.
5. Proses switching dilakukan menggunakan MOSFET tipe IRFP450 dan
IRFP260 yang memiliki kemampuan fast switching dan tegangan tinggi.
6. TFB digunakan untuk menaikkan tegangan menjadi orde kV.
7. Piranti penampil menggunakan 8 digit seven segment dengan IC shift register
MAX7219.
8. Pengukuran tegangan tinggi dilakukan menggunakan multimeter dan Probe
tegangan tinggi merek Lutron HV-40kV dengan impedansi sebesar 1 GOhm.
2. II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Penelitian Terkait
Penelitian terkait tentang rancang bangun sumber tegangan tinggi ini telah banyak
dilakukan sebelumnya, diantaranya dilakukan oleh Munir dkk., (2015) yang
membahas tentang perancangan power supply (PS) tegangan tinggi untuk
peralatan Electrospinning menggunakan TFB tegangan tinggi. Alat ini dibangun
dengan diode-split transformator (DST) tipe TFB tegangan tinggi yang dilengkapi
dengan rangkaian PWM Generator dan Liquid Crystal Display (LCD)
menggunakan mikrokontroler. PWM dibuat dengan IC TL494 dan digunakan
untuk mengontrol tegangan keluaran yang dihasilkan dengan cara mengontrol
frekuensi dan duty cycle sinyal. PWM Generator dihubungkan langsung pada pin
Gain MOSFET IRFP450, agar gelombang PWM yang dihasilkan dapat
menggerakkan MOSFET IRFP450. Pin drain MOSFET IRFP450 dihubungkan
langsung ke sisi primer dari TFB.
Pengukuran tegangan tinggi dilakukan dengan cara menghubungkan pin keluaran
“+” dengan pembagi tegangan dengan salah satu komponennya memiliki resistor
sebesar 1G Ohm. Pembagi tegangan terhubung secara langsung dengan pin analog
mikrokontroler untuk dikonversi menjadi digital menggunakan analog to digital
converter (ADC) dan akan ditampilkan di LCD. Alat yang dibuat mampu
7
menghasilkan tegangan tinggi sebesar 18 kV pada frekuensi 7,2 kHz dan duty
cycle 25,4%.
Gambar 2.1 Diagram blok rancangan power supply tegangan tinggi (Munir dkk.,
2015)
Penelitian lain yang membahas tentang tegangan tinggi adalah penelitian yang
dilakukan Habsari dkk., (2017) tentang metode flyback pada pembangkit tegangan
tinggi untuk aplikasi plasma electrolytic oxidation (PEO). PEO adalah proses
kombinasi dari sebuah proses oksidasi elektrokimia dengan melibatkan sumber
tegangan tinggi. Tegangan tinggi menghasilkan plasma yang digunakan untuk
membentuk lapisan permukaan baru pada sebuah metal. Tegangan tinggi pada
penelitian ini dikembangkan dengan metode flyback. Metode flyback memiliki
kelebihan yaitu pada rangkaian yang sederhana, selain itu memiliki proteksi
terhadap hubungan singkat keluaran yang sudah tertanam di dalam flyback.
Tegangan tinggi yang dibuat terdiri atas masukan tegangan DC, Power MOSFET
(IGBT), TFB, Optocoupler dan sumber tegangan pulsa. Insulated Gate Bipolar
Transistor (IGBT) adalah salah satu piranti semikonduktor yang setara dengan
gabungan sebuah transistor BJT dan sebuah MOSFET. IGBT merupakan
8
transistor tegangan tinggi yang berfungsi sebagai saklar, dan digerakkan oleh
sumber tegangan pulsa. Pin kolektor transistor dihubungkan dengan pin negatif
lilitan primer flyback, sedangkan pin positif lilitan primer transformator
dihubungkan langsung dengan tegangan masukan positif 12 V. Komponen
Optocoupler dipasang diantara sumber tegangan pulsa dan IGBT. Optocoupler
berfungsi untuk melindungi sumber tegangan pulsa dan transformator ketika
terjadi induksi diri yang besar saat IGBT mati tiba-tiba. Pada bagian keluaran,
lilitan sekunder transformator dihubungkan dengan diode tegangan tinggi dan
kapasitor. Diode digunakan sebagai snubber ketika terjadi lonjakan tegangan
secara tiba-tiba saat transformator off. TFB yang digunakan adalah koil pada
motor yang memiliki perbandingan lilitan yaitu 1:100.
B. Switching Transistor
Dalam pembangkit tegangan tinggi diperlukan peralatan switching. Istilah
switching sering digunakan pada beberapa PS karena menawarkan keuntungan
dari efisiensi konversi daya yang lebih tinggi. Menurut Sukaryono dan Kurnia
(2014), switching transistor adalah rangkaian yang berfungsi untuk
menghubungkan dan memutuskan arus menuju beban. Proses switching dilakukan
pada kondisi transistor cut off dan saturation. Ketika tegangan masukan pada
basis sama dengan nol, maka transistor dalam kondisi cut off sehingga tegangan
pada collector dan emitter (VCE) sama dengan VCC. Ketika tegangan masukan
besar pada basis, maka transistor dalam kondisi saturation sehingga arus collector
(IC) akan maksimum.
9
Gambar 2.2 Rangkaian switching transistor (Sukaryono dan Kurnia, 2014)
Teknik switching memiliki beberapa topologi yang dapat digunakan, seperti buck
converter, boost converter, buck-boost converter, dan flyback converter. Keempat
topologi tersebut menggunakan transistor sebagai saklar. Topologi flyback
converter dapat digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan serta
membangkitkan daya osilasi yang tinggi sebagai masukan TFB (Instruments,
2016). Rangkaian flyback regulator ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Flyback regulator (Instruments, 2016)
Flyback converter adalah topologi yang populer dengan rangkaian yang
sederhana, isolasi yang mudah dan dapat digunakan untuk menaikkan atau
menurunkan tegangan (Yoshida dkk., 2003). Flyback converter dilengkapi dengan
transformator frekuensi tinggi yang berfungsi sebagai induktor dan juga sebagai
isolasi magnetis antara masukan dan keluaran. Ketika saklar aktif/tertutup, sumber
tegangan masukan terhubung langsung ke transformator. Pada saat tersebut fluks
magnetik dan arus pada lilitan primer meningkat, sehingga energi tersimpan
10
dalam transformator. Tegangan induksi pada lilitan sekunder adalah negatif,
sehingga diode adalah reverse-bias. Keluaran kapasitor memasok energi ke
keluaran beban. Ketika saklar tidak aktif/terbuka, fluks magnetik dan arus pada
lilitan primer turun. Tegangan sekunder adalah positif, sehingga diode forward
bias, sehingga memungkinkan arus mengalir dari transformator. Energi dari inti
transformator mengisi kapasitor dan beban (Instruments, 2016).
Pada penelitian yang dilakukan Pratiwi dkk., (2018) tentang pembangkit tegangan
tinggi, telah dirancang flyback converter yang terdiri dari FBT dan rangkaian zero
voltage switching (ZVS) sebagai saklar. ZVS merupakan salah satu jenis soft-
switching yang artinya tegangan pada MOSFET bernilai 0 ketika turn on atau turn
off (Yoshida dkk., 2003; McClusky, 2010). ZVS bekerja dengan menggunakan
induktor dan kapasitor tambahan sehingga menghasilkan operasi frekuensi tinggi.
Kapasitor resonansi (Cr) disusun secara paralel dengan MOSFET dan induktor
resonansi (Lr) disusun seri dengan kombinasi MOSFET dan kapasitor resonansi.
(Koo dan Youn, 2004).
Penelitian tentang pembangkit tegangan tinggi menggunakan ZVS juga telah
dilakukan Hapidin dkk., (2017) yang menjelaskan bahwa flyback converter
dengan menggunakan ZVS dapat menghasilkan tegangan tinggi pada FBT dengan
efisiensi yang baik dan menghasilkan daya yang relatif tinggi. Gambar 2.4 adalah
rangkaian flyback converter yang dilengkapi dengan zero voltage switching.
11
Gambar 2.4 Rangkaian flyback converter dengan zero voltage switching (Hapidin
dkk., 2017)
ZVS tidak hanya berlaku pada flyback converter, tetapi juga berlaku pada semua
topologi switching yaitu buck converter, boost converter, buck-boost converter,
dan turunannya (forward, half dan full bridge) (Ramachandran, 2013).
C. Transformator Flyback (TFB)
Proses membangkitkan tegangan tinggi menggunakan transformator konvensional
tentu akan memakan ruang dan bobot yang besar. Untuk itu dapat digunakan TFB
yang dapat membangkitkan tegangan tinggi dengan efisien, serta memiliki volume
dan bobot yang jauh lebih kecil. TFB adalah transformator khusus yang
digunakan untuk menghasilkan tegangan tinggi dengan frekuensi yang relatif
besar. TFB digunakan dalam pengoperasian perangkat cathode ray tube (CRT)-
display seperti televisi dan monitor komputer CRT, dan umumnya berbentuk
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Tegangan tinggi yang dihasilkan setiap flyback berbeda-beda tergantung
rangkaian dan perangkat yang digunakan, sebagai contoh, televisi warna mungkin
12
memerlukan 20-50 kV dengan frekuensi kisaran 15-50 kHz. TFB tersusun atas
lilitan bertegangan rendah atau lilitan primer, lilitan bertegangan tinggi atau lilitan
sekunder, dan batang ferrite sebagai inti kopling magnetnya yang memiliki
permeabilitas magnet yang tinggi sehingga dapat bekerja optimal pada daerah
frekuensi tinggi.
Gambar 2.5 Transformator flyback televisi
Selain itu TFB telah dilengkapi dengan diode penyearah/pelipat yang disusun
secara seri antar lilitan sekunder, kapasitor resonansi, dan pembagi tegangan. TFB
secara keseluruhan dicor menjadi satu unit (bulk) bersama dengan lilitan primer
dan sekunder. Tegangan rendah dengan frekuensi tinggi akan digunakan sebagai
masukan lilitan primer, sedangkan keluaran tegangan tinggi didapatkan dari lilitan
sekunder. Karena di dalam transformator telah dipasang diode penyearah di
bagian lilitan sekundernya, maka keluaran tegangan tinggi yang dihasilkan dalam
bentuk DC (Yunus dkk., 2016).
Setiap flyback terdapat kaki atau terminal yang memiliki fungsi masing-masing.
TFB memiliki sekitar 10 pin atau kaki di bawahnya dan tiap kaki memiliki fungsi
masing-masing tetapi umumnya kaki-kaki ini dibagi menjadi bagian primer atau
13
masukan dan sekunder atau keluarannya. Selain itu juga TFB memiliki beberapa
kabel yang ada di bagian atasnya.
1. HV/High Voltage, terminal ini adalah bagian anode atau kop yang pasti
terhubung ke CRT serta menghasilkan tegangan yang sangat tinggi bisa
berkisar 10–30 kV.
2. Kabel Screen, kabel screen terhubung langsung ke kaki CRT yang ada di
bagian belakang dan fungsinya adalah untuk mengatur seberapa kuat cahaya
terang yang ditampilkan. Kabel ini baik di TFB atau di CRT sering disebut
G2.
3. Kabel Focus, kabel ini juga langsung terhubung ke kaki CRT (G3/G4) yang
fungsinya adalah untuk mengatur fokus pada televisi.
Berikut ini adalah fungsi dari tiap pin atau kaki yang ada di TFB.
Gambar 2.6 Konfigurasi pin transformator flyback (Anonim, 2017)
1. HOT atau biasa disebut collector yang di rangkaian terhubung dengan
transistor penguat horizontal bagian kolektor. Pada saat flyback bekerja kaki
ini akan menghasilkan tegangan tinggi.
14
2. Diode Dumper, sesuai namanya pin ini terhubung ke diode dumper dan
biasanya terdapat pada televisi yang memiliki rangkaian EW (East West)
tetapi tidak semua flyback memiliki pin ini karena kebanyakan sudah satu
paket dengan transistor horizontal.
3. B+, kaki ini terhubung ke power supply utama yang merupakan tegangan
kerja untuk flyback. Jika tidak ada tegangan yang mengalir ke pin ini maka
TFB tidak akan bekerja.
4. Ground, sebagai grounding atau negatif.
5. AFC, automatic frequency control yang fungsinya adalah menstabilkan
frekuensi osilator horizontal
6. ABL yaitu automatic brightness limiter yang fungsinya adalah untuk
mengatur dan membatasi sinar elektron yang menuju ke rangkaian RGB
secara otomatis. Tegangan ABL ini sangat tinggi karena secara tidak
langsung terhubung dengan kop flyback lewat komponen diode (Anonim,
2017).
Secara umum, flyback bekerja seperti transformator biasa. Transformator
diketahui sebagai alat yang dapat menurunkan (step down) atau menaikkan (step
up) tegangan. Prinsip kerja transformator sama dengan prinsip induksi
elektromagnet. Arus yang berosilasi pada lilitan primer akan menimbulkan medan
magnet dan secara otomatis akan menginduksi kumparan sekunder. Arus induksi
pada kumparan sekunder mengalir berlawanan arah dengan kumparan primer.
Perbandingan lilitan primer dan sekunder menentukan perbandingan tegangan
primer dan sekunder. Perbandingan tersebut dirumuskan dalam Persamaan (2.1).
15
SS P
P
NV = xV
N (2.1)
Semakin banyak jumlah lilitan sekunder pada transformator tegangan keluaran
yang dihasilkan semakin tinggi, sedangkan semakin banyak lilitan primer yang
digunakan tegangan keluaran yang dihasilkan semakin rendah.
D. Pulse Width Modulation (PWM)
Teknik switching transistor menggunakan bentuk pengaturan tegangan keluaran
yang dikenal sebagai PWM. PWM adalah salah satu teknik modulasi dengan
mengubah lebar pulsa (duty cycle) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang
tetap. Pada penelitian ini PWM yang digunakan berasal dari Arduino nano. PWM
sering digunakan pada aplikasi seperti pengendali kecepatan motor DC/servo,
pengatur nyala terang LED, regulator tegangan, kontrol tegangan, dan aplikasi-
aplikasi lainnya (Supani dan Azwardi, 2015).
Gambar 2.7 Pulsa Pulse Width Modulation (Santoso dkk., 2015)
Pulsa PWM berbentuk gelombang kotak yang terdiri dari dua kondisi yaitu
kondisi aktif (ON) dan non-aktif (OFF). Ketika kondisi aktif, amplitudo bernilai
maksimum, sedangkan ketika kondisi non-aktif, amplitudo pulsa bernilai nol.
16
Periode (T) pulsa PWM adalah waktu yang dibutuhkan untuk membentuk satu
pulsa, sedangkan Amplitudo pulsa PWM adalah nilai tegangan pada saat kondisi
aktif.
Perbandingan waktu pulsa saat kondisi ON dan waktu pulsa saat kondisi OFF
dalam satu periode disebut sebagai duty cycle. Dengan mengatur lebar pulsa
ketika ON dan OFF dari pulsa PWM akan didapatkan duty cycle yang dinyatakan
dalam bentuk (%) dengan range 0-100%. Duty cycle ditentukan dengan
Persamaan (2.2).
ON
ON OFF
TD = x100%
T + T
(2.2)
Dengan 𝐷 adalah duty cycle (%), 𝑇𝑂𝑁 adalah waktu pulsa pada kondisi ON (s),
dan 𝑇𝑂𝐹𝐹 adalah waktu pulsa pada kondisi OFF (s). Jika pulsa berada dalam
kondisi ON terus menerus artinya memiliki duty cycle sebesar 100%. Jika waktu
pulsa saat kondisi ON sama dengan waktu pulsa saat kondisi OFF, maka sinyal
mempunyai duty cycle sebesar 50%. Besarnya duty cycle dapat digunakan untuk
menentukan tegangan keluaran yang dihasilkan. Tegangan keluaran merupakan
presentasi duty cycle dari tegangan masukan yang diberikan, seperti yang
ditunjukkan pada Persamaan(2.3).
ONOUT IN
ON OFF
TV = xV
T + T
(2.3)
𝑉𝑂𝑈𝑇 adalah tegangan keluaran (V) dan 𝑉𝐼𝑁 adalah tegangan masukan (V). Jika
tegangan masukan yang masuk ke rangkaian sebesar 12 V dan duty cycle sebesar
17
10%, maka tegangan keluaran adalah 1,2 V. Dengan 𝑉𝐼𝑁 yang sama dan duty
cycle sebesar 50%, maka tegangan keluaran adalah 6V (Santoso dkk., 2015).
Pada metode digital di mikrokontroler, PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM
itu sendiri. Misalkan mikrokontroler memiliki kapasitas 8 bit, berarti PWM
tersebut memiliki resolusi sebesar 28=256 yang mewakili nilai dari duty cycle 0–
100% dari keluaran PWM. Hal tersebut di tunjukkan pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Perbandingan nilai duty cycle dengan nilai PWM 8 bit (Supani dan
Azwardi, 2015)
Ketika pulsa memiliki duty cycle sebesar 100% maka nilai PWM digital sebesar
225. Jika duty cycle sebesar 50% maka nilai PWM digital sebesar 127 (Supani dan
Azwardi, 2015).
E. Arduino Nano
Arduino adalah perangkat keras open-source yang dapat digunakan untuk
membuat suatu proyek berbasis pemrograman. Arduino memiliki prosesor
18
mikrokontroler ATMega yang dikeluarkan oleh Atmel AVR, tetapi software yang
digunakan memiliki bahasa pemrograman sendiri. Arduino telah dilengkapi
dengan sistem integrated development environment (IDE) yang memudahkan
pengguna untuk membuat program dan dapat diunduh dengan mudah di website
resmi Arduino yaitu www.arduino.cc. Arduino memberikan banyak kemudahan
bagi penggunanya dalam membuat karya-karyanya. Arduino dapat digunakan
dalam berbagai aplikasi seperti menerima masukan dari berbagai sensor (sensor
suhu, cahaya, ultrasonik, jarak, kelembaban, tekanan), serta dapat mengontrol
kecepatan dan arah putar motor, menyalakan LED dan sebagainya. Berikut ini
adalah kelebihan yang dimiliki Arduino antara lain:
1. Murah, Arduino dijual dengan harga yang relatif murah dibandingkan dengan
mikrokontroler lainnya.
2. Sederhana dan mudah pemrogramannya, Arduino memiliki bahasa
pemrograman yang mudah untuk dipahami bagi pemula dan banyak referensi
yang bisa digunakan.
3. Perangkat lunak open source, software Arduino dapat diunduh dengan mudah
oleh siapa saja dan dapat digunakan pada sistem operasi komputer Windows,
Linux dan Mac.
Salah satu jenis Arduino dengan harga termurah adalah Arduino Nano. Arduino
Nano memiliki ukuran relatif kecil dan sederhana, tetapi kemampuan yang
dimiliki tidak kalah dengan jenis Arduino lainnya. Arduino Nano dibekali dengan
prosesor ATMega 328P tipe SMD dan memiliki 14 Pin Digital I/O, 8 Pin
19
Masukan analog, dan menggunakan FTDI untuk pemrograman lewat Mikro USB.
Selain itu juga ada yang menggunakan prosesor ATMega168.
Gambar 2.9 Pin out ATMega38P tipe SMD (Junaidi dan Prabowo, 2018)
Spesifikasi dari Arduino Nano ditunjukkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1 Spesifikasi Arduino Nano
Parameter Spesifikasi
Tegangan operasi 5V
Tegangan masukan
(rekomendasi)
7V - 12V
Digital I/O pin 14 buah, 6 diantaranya menyediakan
PWM (Pin 3, 5, 6, 9, 10, 11)
Pin Analog Masukan 8 buah
Arus DC per pin I/O 40 mA
Memori Flash 32 KB, 0,5 KB telah digunakan untuk
bootloader
SRAM 2 KB
EEPROM 1 KB
Clock speed 16 Mhz
Dimensi 45 mm x 18 mm
20
Perbedaan utama antara Arduino UNO dan Arduino Nano ditunjukkan pada tipe
IC yang digunakan. Arduino UNO menggunakan IC ATMega328P tipe DIP yang
terdiri dari 30 pin sedangkan Arduino Nano menggunakan IC ATMega328P tipe
SMD yang terdiri dari 32 pin. Tambahan 2 pin berfungsi sebagai tambahan ADC,
Arduino UNO memiliki 6 pin ADC sedangkan Nano memiliki 8 pin ADC lebih
banyak dibandingkan UNO. Arduino Nano tidak memiliki Jack Power DC, tetapi
memiliki port Micro USB. Port ini dapat digunakan untuk memasukkan program
ke board Arduino Nano sekaligus serial monitor (Junaidi dan Prabowo, 2018).
Gambar 2.10 Skematik rangkaian keseluruhan Arduino Nano (Marpik, 2016)
21
F. Seven segment dengan IC MAX7219
Seven segment adalah komponen yang berfungsi sebagai display untuk
menampilkan angka desimal. Seven segment tersusun dari 7 LED yang
membentuk angka 8 dan 1 LED yang membentuk satu titik (DP = dot point) untuk
indikator desimal. 7 LED itu dapat membentuk angka dari 0-9 atau bisa juga
membentuk huruf yaitu A, B, C, D, E, dan F. Seven segment sering ditemukan
pada voltmeter digital, speedometer, jam digital, meteran elektronik, dan piranti
lainnya yang berfungsi untuk menampilkan nilai dalam bentuk angka/numerik.
Gambar 2.11 Seven segment satu digit (a) skema pin (b) bentuk fisik (Syahwil,
2017)
Gambar 2.11 menunjukkan bahwa, untuk menampilkan angka 9 maka LED
dengan label A, B, C, D, F, dan G akan menyala. Berdasarkan cara kerjanya,
seven segment terbagi atas common anode dan common cathode. Perbedaan dari
keduanya adalah, sifat common anode akan aktif ketika dalam kondisi LOW, atau
akan hidup apabila diberi logika 0 dan mati ketika diberi logika 1. Common
cathode adalah seven segment yang aktif apabila dalam kondisi HIGH, LED akan
menyala jika diberi logika 1 dan LED mati jika diberi logika 0. Apabila dilihat
dari skema rangkaian seperti pada Gambar 2.12, anode LED pada seven segment
common anode terhubung menjadi satu secara paralel dan terhubung ke VCC.
22
Sedangkan katode LED pada seven segment common cathode terhubung menjadi
satu secara paralel dan terhubung ke ground (GND).
Gambar 2.12 Skema rangkaian (a) common anode (b) common cathode
(Tecnology, 2011)
Hal yang perlu diketahui adalah, berdasarkan jumlah digit yang ditampilkan,
seven segment memiliki beberapa jenis yaitu seven segment 1 digit, 2 digit, 3 digit
dan 4 digit. Pada penggunaan satu digit seven segment membutuhkan 9 pin
Arduino, sedangkan dua digit seven segment membutuhkan 18 pin Arduino.
Jumlah tersebut tentunya terlalu banyak jika dibandingkan jumlah pin yang
tersedia pada Arduino. Mengatasi hal tersebut digunakan teknik multiplexing
untuk mengurangi jumlah pemakaian pin Arduino.
Teknik multiplexing pada seven segment adalah teknik yang berfungsi untuk
menghemat jalur kontrol pada proses penampilan data ke seven segment, mulai
dari dua digit, tiga digit, atau multi digit. Salah satu teknik multiplexing yang
dapat digunakan yaitu dengan IC shift register untuk merubah dari serial ke
paralel. Secara konsep, shift register adalah komponen elektronik yang berfungsi
untuk menggeser data bit yang masuk satu persatu dan kemudian menyimpannya
secara sementara dalam satu register. Penggunaan shift register sangatlah
membantu dalam membuat tampilan pada seven segment. Contohnya untuk
membuat 4 digit seven segment idealnya dibutuhkan 36 pin Arduino, sedangkan
23
dengan teknik multiplexing menggunakan IC shift register hanya dibutuhkan 3.
Ada banyak jenis IC shift register yang bisa digunakan untuk menampilkan suatu
nilai pada seven segment, seperti IC 74HC595, TM1637, MAX7219 atau
MAX7221. Pada kesempatan kali ini akan dibahas tentang IC MAX7219 atau
MAX7221 sebagai shift register seven segment 8 digit seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 2.13. IC ini kompatibel dengan antarmuka serial peripheral
interface (SPI) yang dapat dikontrol dari Arduino hanya dengan 3 pin digital
Arduino.
Gambar 2.13 IC MAX7219 (a) Konfigurasi pin (b) Bentuk fisik (Syahwil, 2017)
IC MAX7219 adalah IC yang berfungsi sebagai penggerak antarmuka antara
mikrokontroler dengan seven segment, dot matrix, atau 64 LED. IC ini sudah
dilengkapi dengan dekoder BCD, rangkaian multiplexer, dan penggerak seven
segment. IC MAX7219 umumnya digunakan untuk seven segment yang bersifat
common cathode. MAX7219 membutuhkan tegangan masukan sebesar +5V untuk
LED Matrix atau 8 digit seven segment yang didapat dari +5V Arduino.
Sedangkan untuk penggunaan lebih dari 8 digit sebaiknya digunakan tegangan
power supply external 5V.
24
Gambar 2.14 Skema rangkaian 8 digit seven segment dengan IC MAX7219
(Anonim, 2012)
Gambar 2.14 merupakan skema rangkaian 8 digit seven segment dengan IC
MAX7219. IC ini memiliki 3 pin yang perlu dihubungkan ke pin digital Arduino
yaitu pin DIN, CLK, dan LOAD (CS). Pin SEG A–G dan SEG DP IC MAX7219
dihubungkan pada segment LED seven segment, sedangkan pin DIG0-DIG7
dihubungkan ke common cathode dari seven segment. DIG0 adalah data Least
Significant Bit (LSB) dan DIG7 adalah data Most Significant Bit (MSB). Untuk
penggunaan MAX7219 lebih dari satu dan disusun secara seri, maka pin DOUT
dari IC pertama dihubungkan ke DIN IC kedua sementara CLK dan LOAD (CS)
dihubungkan secara paralel (Syahwil, 2017).
3. III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat
Penelitian dilaksanakan pada bulan November 2018 sampai Maret 2019.
Perancangan alat dilakukan di Laboratorium Elektronika Dasar Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Alat-alat Penelitian
No. Nama Fungsi
1. Multimeter tipe Heles
UX37 dan Richmeter
102
Digunakan untuk mengukur tegangan, arus,
tahanan dan frekuensi.
2. Probe merek Lutron
HV-40 kV
Digunakan untuk mengukur tegangan tinggi
maksimal 21 kV dengan cara
memasangkannya pada multimeter
3. Solder Digunakan untuk memasang atau
membongkar komponen elektronika yang
terdapat pada papan PCB.
4. Bor PCB Digunakan untuk melubangi pad papan PCB.
5. Peralatan kerja lainnya Digunakan untuk mendukung dalam membuat
alat ini, peralatan tersebut meliputi timah,
Obeng, tang, gergaji, dan lain-lain.
26
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 3.2
Tabel 3.2 Bahan-bahan penelitian
No. Nama Fungsi
1. Switching mode power
supply (SMPS) 12 V 3
A dan 24 V 10 A
Digunakan sebagai sumber tegangan DC.
2. Voltage Regulator 5 V
dan 9 V
Digunakan untuk menurunkan tegangan dari
SMPS 12 V menjadi tegangan 5 V dan 9 V,
berguna sebagai sumber tegangan untuk
Arduino dan peralatan pendukung lainnya.
3. Mikrokontroler
Arduino Nano
Digunakan untuk mengontrol keluaran
tegangan tinggi yang dihasilkan
menggunakan teknik PWM.
4. Rangkaian Driver Digunakan sebagai switching yang dapat
memutuskan dan menghubungkan tegangan
dengan sangat cepat sehingga menghasilkan
frekuensi pada tegangan DC yang
memungkinkan arus mengalir dan
menginduksi lilitan primer. Dibangun dari
komponen elektronik seperti, resistor,
transistor, fast switching MOSFET, kapasitor,
induktor dan diode.
5. Transformator Flyback
(TFB)
Digunakan untuk menaikkan tegangan dari
SMPS agar menghasilkan tegangan tinggi
dalam orde kV.
6. Keypad 4x4 dan I2C
PCF8574
Digunakan untuk memberi masukan ke
Arduino berupa nilai tegangan tinggi dan
waktu kerja yang akan dikeluarkan.
7. Seven segment shift
register MAX7219
Digunakan untuk menampilkan tegangan dan
waktu kerja sumber tegangan tinggi.
8. Real Time Clock (RTC)
DS3231
Digunakan sebagai RTC atau pewaktu digital
yang dikemas kedalam 1 modul.
9. Heat sink Digunakan sebagai peredam panas pada fast
switching MOSFET.
10. Kipas pendingin Digunakan untuk mendinginkan komponen
(Transistor, MOSFET, dan IC) dan heat sink
27
Perangkat lunak digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Perangkat lunak yang digunakan
No. Nama Fungsi
1. Diptrace Digunakan untuk membuat desain PCB layout
rangkaian.
2. Proteus 8 Professional Digunakan untuk membuat desain skematik
rangkaian.
3. IDE Arduino Digunakan untuk membuat, membuka dan
mengedit program yang akan dimasukkan ke
board Arduino.
4. Microsoft Office Word
2013
Digunakan untuk menulis laporan penelitian
5. Microsoft Office Visio
2013
Digunakan untuk membuat diagram blok dan
flowchart penelitian.
6. OriginLab 8 Digunakan untuk membuat grafik
7. Corel Draw X7 Digunakan untuk mendesain kotak dari alat
yang akan dibuat.
C. Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan untuk membuat sebuah alat yang dapat dijadikan sebagai
sumber tegangan tinggi sebesar 0-20 kV menggunakan teknik PWM berbasis
Arduino. Penelitian dimulai dengan melakukan studi literatur pada buku, jurnal,
internet dan literatur lainnya. Literatur-literatur tersebut nantinya akan digunakan
sebagai dasar dalam perancangan sistem dan ditulis dalam bentuk proposal
penelitian. Tahap-tahap penyelesaian penelitian ini secara umum ditunjukkan pada
Gambar 3.1.
28
Studi Literatur
Konsep Perancangan Sistem
Persiapan Alat dan Bahan
Pembuatan Laporan Usulan
Perancangan Hardware Perancangan Software
Pengujian SoftwarePengujian Hardware
Pengambilan dan
Analisis Data
Penyusunan Laporan Akhir
Tidak Tidak
Pengujian Sistem
Kalibrasi
Berhasil Berhasil
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
Tahap selanjutnya mempersiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan untuk
merealisasikan perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software).
Perancangan hardware dilakukan dengan mempersiapkan SMPS, rangkaian
driver, voltage regulator 5 V/9 V, Arduino Nano, TFB, RTC DS3231 dan
voltmeter seven segment, serta melakukan pengujian terhadap hardware yang
sudah disiapkan. Bersamaan dengan itu dilakukan pembuatan program atau
software menggunakan aplikasi IDE Arduino dan melakukan pengujian pada
29
program yang dibuat. Program tersebut berfungsi untuk mengontrol PWM yang
dikeluarkan Arduino dan menampilkan nilai tegangan tinggi pada piranti seven
segment. Selain itu program dibuat untuk mengontrol waktu kerja dari alat yang
dibuat.
Selanjutnya dilakukan pengujian secara keseluruhan baik hardware maupun
software. Apabila berhasil, dilanjutkan dengan proses kalibrasi, pengambilan data
dan terakhir penyusunan laporan. Proses penelitian ini dilakukan dengan 3
tahapan yaitu perancangan hardware, perancangan software, pengambilan data
dan pengujian data.
C.1. Perancangan Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras sumber tegangan tinggi sebesar 0-20 kV
menggunakan teknik PWM berbasis Arduino ditunjukkan pada diagram blok
Gambar 3.2.
I2C Keypad
4x4
Analog
Digital
Regulator 9 V
(LM7809)
Regulator 5 V
(LM7805)
Seven Segment
DC Power
Supply 24 V
MIKROKONTROLER
ARDUINO NANO PW
M
Vin
Keluaran
Tegangan Tinggi
Transformator
Flyback (TFB)
DC Power
Supply 12 V
AC
220 V
5 V
Buzzer
Driver
RTC
DS3231
Analog
Digital
Gambar 3.2 Diagram blok perangkat keras sumber tegangan tinggi
30
a. Power supply (PS) 12 V dan 24 V
Power supply sebagai sumber tegangan dari alat yang akan dibuat, berfungsi
untuk mengubah arus AC menjadi arus DC. PS 24 V yang digunakan adalah jenis
Switch Mode Power supply (SMPS) dengan masukan 200-240 VAC dan keluaran
24 VDC 10 A. PS 12 V memiliki kapasitas masukan 86-240 VAC dan keluaran 12
VDC 3 A.
b. Voltage Regulator 5 V dan 9 V
Tegangan dari PS sebesar 12 V akan diturunkan menjadi 5 V dan 9 V. Tegangan 9
V digunakan untuk memberikan supply ke Arduino, sedangkan tegangan 5 V
digunakan untuk supply ke seven segment, dan beberapa komponen lain.
Rangkaian regulator ditunjukkan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3 Rangkaian voltage regulator 5 V dan 9 V
Gambar 3.3 menunjukkan rangkaian voltage regulator yang dibuat menggunakan
IC regulator L7805 dan L7809. Tegangan keluaran dari rangkaian tersebut
berkisar antara 4,8-5,2 V untuk IC L7805 dan 8,65-9,35 V untuk IC L7809.
31
Kapasitor yang digunakan di awal maupun akhir rangkaian berfungsi agar
tegangan lebih stabil, sedangkan LED hanya digunakan sebagai indikator.
c. Driver Flyback
Rangkaian driver digunakan untuk adjustable tegangan PS dari 0 sampai 24 V,
kemudian digunakan untuk switching tegangan menggunakan teknik PWM yang
berasal dari Arduino. Rangkaian driver di awal terdiri dari 1 buah resistor 10
Ohm, 1 MOSFET IRFP450, dan diode MIC 10A10. Bagian driver selanjutnya
merupakan rangkaian konverter flyback Mazzilli Zero Voltage Switching (ZVS)
yang terdiri dari resistor 470 Ohm 2 Watt, diode FR107, resistor 10 kOhm, diode
zener 1N4742, MOSFET IRFP260 dan kapasitor 0,33uF. Setiap komponen terdiri
dari 2 buah yang disusun secara paralel. MOSFET IRFP450 dan IRFP260
memiliki kemampuan fast-switching pada tegangan tinggi. Pulsa PWM yang
dihasilkan Arduino menggerakkan MOSFET dan menjadikannya sebagai saklar
(switch) yang dapat memutuskan dan menghubungkan tegangan dengan sangat
cepat. Switching tersebut menghasilkan frekuensi pada tegangan DC yang
memungkinkan arus mengalir dan menginduksi lilitan primer. Rangkaian driver
secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 3.4.
Tegangan 24 V akan diumpankan langsung ke sebuah induktor dengan nilai
100uH, dan terhubung secara langsung ke lilitan primer. Selain induktor, PS 24 V
juga dihubungkan dengan katode diode MIC10A10 dan resistor 470 Ohm yang
terhubung dengan Gate MOSFET IRFP260. MIC 10A10 digunakan pada
switching dan berguna sebagai pengaman untuk MOSFET IRFP450.
32
Gambar 3.4 Rangkaian Driver
Diode ini dipilih karena dapat menghantarkan arus sampai 10 A dan menahan
reverse voltage hingga 1000 V. Sama seperti diode MIC 10A10, Diode FR107
juga memiliki kapasitas reverse voltage hingga 1000 V, tetapi dapat
menghantarkan arus hanya 1 A. Tegangan yang besar dapat menyebabkan
kerusakan pada MOSFET (gate). Resistor 470 Ohm 2 Watt dan 10 kOhm disusun
sebagai pembagi tegangan, fungsinya untuk menurunkan tegangan yang besar dari
PS 24 V. Masalah tersebut juga dapat diatasi dengan menambahkan diode zener
12 V yang berfungsi untuk membatasi tegangan yang masuk ke gate. Kapasitor
bersamaan dengan lilitan primer membentuk rangkaian osilator LC yang
berfungsi sebagai penguat tegangan. Selain itu, semua MOSFET harus diberikan
pendingin berupa heat sink dan kipas agar mencegah panas berlebih selama waktu
operasi.
d. Transformator Flyback (TFB)
Tegangan positif 24 V akan diumpankan langsung ke sebuah induktor dengan
nilai 100uH, dan terhubung secara langsung ke lilitan primer. Perubahan medan
33
magnet di lilitan primer (karena arus yang berdenyut) akan menghasilkan arus
induksi di lilitan sekunder yang memiliki lebih banyak lilitan untuk meningkatkan
tegangan. Simbol transformator secara umum ditunjukkan pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Simbol Transformator flyback (TFB)
Pada bagian ini tegangan akan dinaikkan dari 0-24 V menjadi tegangan dalam
orde kV. Tegangan keluaran untuk TFB dapat mencapai tegangan berkisar 20 kV.
TFB yang digunakan adalah TFB televisi dengan tipe FCM 21A 005 SAMSUNG.
e. Sistem Kontrol
Sistem kontrol berfungsi untuk mengontrol kerja dari sumber tegangan tinggi
yang akan dibuat, terdiri dari Arduino Nano, Keypad 4x4 - I2C PCF8574, seven
segment shift register MAX7219, dan Real Time Clock (RTC) DS3231. Tegangan
sebesar 9 V dari voltage regulator akan masuk ke Arduino Nano pada pin Vin
sebagai sumber tegangan Arduino. Arduino nano ditunjukkan pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Arduino nano
Arduino berfungsi sebagai pembangkit pulsa PWM (duty cycle dan frekuensi)
berdasarkan nilai masukan dari keypad. PWM akan diteruskan ke driver untuk
34
mengontrol tegangan keluaran. Nilai masukan PWM dari keypad ke Arduino,
akan dibandingkan dengan hasil pengukuran keluaran tegangan tinggi. Hasil
perbandingan tersebut digunakan untuk mendapatkan nilai tegangan tinggi
sebenarnya. Keluaran tegangan tinggi akan ditampilkan pada 4 digit seven
segment common cathode menggunakan IC MAX7219 yang merupakan IC shift
register. IC ini berfungsi untuk driver antarmuka antara Arduino dan seven
segment.
Fungsi lain Arduino adalah mengontrol waktu kerja sumber tegangan tinggi
dengan bantuan RTC DS3231. Waktu kerja ditentukan dari masukan keypad dan
ditampilkan pada 4 digit seven segment MAX7219. Rangkaian sistem kontrol
ditunjukkan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Sistem kontrol sumber tegangan tinggi
35
f. Rangkaian Keseluruhan
Setelah mempersiapkan perangkat keras diatas, selanjutnya setiap perangkat keras
tersebut dirangkai menjadi satu sistem sumber tegangan tinggi. Rancangan
rangkaian sumber tegangan tinggi secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar
3.8.
36
Gambar 3.8 Rangkaian keseluruhan sumber tegangan tinggi
37
C.2. Perancangan Perangkat Lunak
Perancangan perangkat lunak dibuat dengan aplikasi Arduino IDE. Aplikasi
Arduino IDE berfungsi untuk membuat, membuka dan mengedit program yang
akan dimasukkan ke board Arduino Nano. Diagram alir perancangan perangkat
lunak ditunjukkan pada Gambar 3.9.
Mulai
Inisialisasi
Variabel
Pembacaan
Masukan keypad
Kode “A” Kode “B”
Masukan Nilai
Tegangan
Masukan
Waktu Kerja
Selesai
Menampilkan Nilai
Tegangan
Menampilkan
Waktu
Y
N
Y
Waktu
Berjalan
Waktu
Berhenti
N
Pause Reset
Pembacaan
Masukan keypad
Kode “C” Kode “D”N
Mengeluarkan
Nilai PWM dan
Memulai Waktu
(Start/Resume)
Y
Y
Y Y
Gambar 3.9 Diagram alir program
38
Program tersebut berisi perintah untuk menjalankan fungsi dari sistem kontrol
berdasarkan komunikasi antarmuka dengan keypad. Perintah dasar program ini
terdiri dari 4 poin yang dibedakan berdasarkan kode masukan dari keypad yaitu
kode A, B, C dan D. Kode A digunakan untuk memberikan masukan nilai
tegangan, sedangkan B digunakan untuk memasukkan waktu kerja. Masukan
keduanya secara langsung ditampilkan pada seven segment. Kode C digunakan
untuk mengeluarkan nilai PWM hasil konversi dari nilai masukan tegangan dan
memulai waktu kerja alat atau dapat disebut sebagai Start/Resume. Ketika
Arduino menerima perintah C maka waktu kerja secara otomatis akan menghitung
mundur dari waktu yang ditentukan. Kode D digunakan untuk Pause/Reset, ketika
menekan kode D saat waktu berjalan maka sistem akan berhenti sementara/Pause
dan nilai PWM menjadi 0. Sedangkan ketika menekan kode D saat waktu
berhenti/Pause maka sistem akan mereset.
C.3. Pengambilan dan Pengujian Data
Proses pengambilan dan pengujian data dilakukan dengan cara menjalankan
seluruh sistem baik hardware maupun software, dengan harapan dihasilkan
tegangan tinggi dalam orde kV. Langkah awal yang perlu dilakukan adalah
melakukan pengujian pada power supply (PS) dan regulator yang berperan
penting sebagai sumber tegangan.
a. Pengujian tegangan power supply
Pengujian tegangan keluaran PS dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran
PS menggunakan multimeter tipe Heles UX37 dalam jangka waktu tertentu.
Proses pengujian dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran PS setiap 15
39
menit selama 3 jam dan dilakukan pengulangan selama 3 hari. Tujuan pengujian
ini adalah untuk mengetahui tingkat stabilitas tegangan keluaran dari PS. Data
ditulis pada Tabel 3.4.
Tabel 3.4 Stabilitas keluaran power supply
No. Waktu
(Jam)
Tegangan (V)
Pengulangan 1 Pengulangan 2 Pengulangan 3
12 V 24 V 12 V 24 V 12 V 24 V
1. 0
2. 0,5
3. 1
4. 1,5
5. 2
6. 2,5
7. 3
b. Pengujian regulator 5 V dan 9 V
Proses pengujian regulator dilakukan sama seperti pengujian PS, dilakukan
dengan mengukur tegangan keluaran PS menggunakan multimeter dalam jangka
waktu tertentu. Tujuannya adalah untuk mengetahui tingkat stabilitas tegangan
keluaran dari regulator. Data ditulis pada Tabel 3.5.
Tabel 3.5 Stabilitas keluaran regulator
No. Waktu
(Jam)
Tegangan (V)
Pengulangan 1 Pengulangan 2 Pengulangan 3
5 V 9 V 5 V 9 V 5 V 9 V
1. 0
2. 0,5
3. 1
4. 1,5
5. 2
6. 2,5
7. 3
Hal yang penting untuk diketahui adalah cara pengukuran tegangan tinggi.
Pengukuran tegangan tinggi dilakukan sama halnya dengan mengukur tegangan
pada umumnya. Pengukuran dilakukan dengan Richmeter 102, hanya saja karena
40
tegangan yang diukur dalam orde kV dan kapasitas maksimum multimeter hanya
1000 V, untuk itu perlu digunakan alat bantu berupa Probe khusus tegangan
tinggi. Probe yang digunakan yaitu Probe tegangan tinggi merek Lutron HV-
40kV yang memiliki nilai impedansi sebesar 1 GOhm. Skala multimeter
diposisikan pada skala tegangan terbesar yaitu x1000. Nilai tegangan yang nanti
ditampilkan pada multimeter menunjukkan nilai tegangan tinggi sebenarnya
dalam satuan kV.
Pengambilan data diawali dengan mencari pengaruh jumlah lilitan primer pada
flyback terhadap keluaran tegangan tinggi dengan duty cycle 0-100%. Data
disajikan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.6. Pengambilan data selanjutnya
dilakukan dengan mencari pengaruh frekuensi terhadap keluaran tegangan tinggi,
seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.7.
Tabel 3.6 Pengaruh jumlah lilitan primer terhadap keluaran tegangan tinggi
dengan duty cycle 0-100%
No. Duty cycle
(%)
Tegangan Keluaran (kV)
N = 6 Lilitan N = 8 Lilitan N = 10 Lilitan
1. 0
2. 5
3. 10
4. .
5. .
6. .
7. .
8. 90
9. 95
10. 100
*Pengulangan 2 kali tiap lilitan
41
Tabel 3.7 Pengaruh frekuensi terhadap keluaran tegangan tinggi dengan duty
cycle 0-100%
No. Duty cycle (%) Tegangan Keluaran (kV)
f = 30 kHz f = 40 kHz f = 50 kHz
1. 0
2. 5
3. 10
4. .
5. .
6. .
7. .
8. 90
9. 95
10. 100
*Pengulangan 2 kali tiap frekuensi
Data pada Tabel 3.6 dan Tabel 3.7 digunakan untuk mengetahui jumlah lilitan dan
frekuensi yang tepat, sehingga dapat digunakan sebagai parameter tetap untuk
mendapatkan data lainnya. Pengambilan data dilanjutkan dengan mencari
hubungan antara keluaran tegangan tinggi terdapat duty cycle dan juga mengukur
parameter-parameter yang dapat mempengaruhi keluaran tegangan tinggi.
Parameter tersebut adalah tegangan masukan AC, tegangan keluaran PS, tegangan
keluaran Arduino dan tegangan keluaran driver. Semua data tersebut disajikan
dalam Tabel 3.8.
Tabel 3.8 Perubahan tegangan keluaran pada Arduino, driver dan keluaran
tegangan tinggi terhadap duty cycle
No. Duty
cycle (%)
Tegangan Keluaran (kV)
VAC (V) VPS (V) VArduino (V) VDriver (V) VHV (kV)
1. 0
2. 5
3. 10
4. .
5. .
6. 90
9. 95
8. 100
*Pengulangan 5 kali
42
Data pada tabel tersebut diolah menjadi grafik hubungan antara tegangan tinggi
terhadap duty cyle seperti pada Gambar 3.10. Persamaan yang menunjukkan
hubungan antara perubahan tegangan tinggi terhadap duty cycle dapat diperoleh
dari grafik tersebut menggunakan fungsi linear fitting yang ada pada aplikasi
OriginPro 2018.
Gambar 3.10 Grafik hubungan perubahan tegangan tinggi terhadap duty cycle
Pada tahap ini dilakukan pengujian pada keluaran tegangan tinggi yang dihasilkan
alat terhadap nilai masukan tegangan tinggi. Nilai masukan tegangan tinggi
didapatkan dari persamaan pada grafik hubungan antara perubahan tegangan
tinggi terhadap duty cycle. Pengujian dilakukan dengan memasukkan nilai
tegangan tinggi dari 0-21 dengan kenaikan 0,25. Pada masing-masing tegangan
dilakukan pengulangan sebanyak 5 kali. Data pengujian disajikan pada Tabel 3.9.
43
Tabel 3.9 Perbandingan keluaran tegangan tinggi terhadap masukan tegangan
tinggi
No. VAC (V) VPS (V) Vin (kV) Vout (kV)
1. 0
2. 0,25
3. 0,5
4. 1
5. .
6. .
7. .
8. 20,5
9. 20,75
10. 21
*Pengulangan 5 kali
Data hasil pengukuran tersebut digunakan untuk menghitung persentase kesalahan
(error), akurasi dan presisi sumber tegangan tinggi menggunakan Persamaan
(3.1), (3.2) dan (3.3).
nY- X%Kesalahan = x100%
Y (3.1)
nY- XAkurasi = 1- x100%
Y
(3.2)
dengan:
Y = Tegangan referensi
Xn = Tegangan hasil pengukuran
nX = Rata-rata tegangan hasil pengukuran
2
n nX - XSD =
n-1
n
SDKV(%) = x100%
X
(3.3)
dengan:
SD = Standard Deviasi
44
n = Jumlah sampel
KV = Koefisien Variasi
Tahap akhir pengujian dilakukan dengan menguji tingkat stabilitas keluaran
tegangan tinggi. Pengujian dilakukan dengan mengukur keluaran tegangan tinggi
menggunakan multimeter dan Probe tegangan tinggi setiap 15 menit selama 3 jam
pada tegangan 5, 10, 15 dan 20 kV. Proses pengukuran dilakukan dengan
memisahkan antara kutub positif dan negatif dengan jarak 10 cm di setiap
pengukuran. Data akan ditulis pada Tabel 3.10.
Tabel 3.10 Stabilitas keluaran tegangan tinggi
No. Waktu (Jam) Tegangan Tinggi (kV)
5 10 15 20
1. 0
2. 0,5
3. 1
4. 1,5
5. 2
6. 2,5
7. 3
5. V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengukuran, pengamatan, dan pengujian pada penelitian ini
dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Telah direalisasikan sumber tegangan tinggi 1,25-21 kV menggunakan TFB
dengan teknik PWM Arduino.
2. Keluaran tegangan tinggi memiliki linearitas dan akurasi yang sangat baik
dengan R2 sebesar 0,99970 dan persentase akurasi sebesar 98,696%.
3. Keluaran tegangan tinggi memiliki tingkat presisi yang sangat baik
dinyatakan dengan koefisien variasi sebesar 1,040%, semakin kecil nilai KV
maka tingkat presisi alat semakin baik.
4. Semakin besar frekuensi yang diberikan tegangan tinggi yang dihasilkan
semakin rendah.
5. Semakin besar duty cycle tegangan yang dihasilkan juga semakin besar atau
duty cycle berbanding lurus dengan tegangan keluaran
76
B. Saran
Saran yang dapat dilakukan untuk penelitian selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Dalam proses pengukuran tegangan tinggi disarankan menggunakan resistor
yang besar untuk mengukur tegangan tinggi secara langsung agar pengukuran
tegangan tinggi lebih akurat.
2. Menggunakan lebih banyak flyback dan driver untuk meningkatkan keluaran
tegangan tinggi.
DAFTAR PUSTAKA
Almetwally, A.A., El-Sakhawy, M., Elshakankery, M.H. dan Kasem, M.H. 2017.
Technology of Nano-Fibers : Production Techniques and Properties - Critical
Review. Textile Association, 78(1): 5–14.
Anonim. 2012. Introducing a new serial (SPI) 8-digit seven segment LED display
module using MAX7219 - Embedded Lab. Tersedia di http://embedded-
lab.com/blog/introducing-a-new-serial-spi-8-digit-seven-segment-led-
display-module-using-max7219/. Diakses pada 3 September 2018.
Anonim. 2017. Bagian dan Fungsi Pin Kaki Flyback. Tersedia di
https://panduanteknisi.com/bagian-dan-fungsi-pin-kaki-flyback.html.
Diakses pada 6 September 2018.
Anonim. 2018. ZVS Tesla Coil Flyback Driver Module. Datasheet, 1: 1–4.
Habsari, K.M., Wijono, W. dan Djoko, H.S., D.J. 2017. Metode Flyback pada
Pembangkitan Tegangan Tinggi untuk Aplikasi Plasma Electrolytic
Oxidation. Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
(JNTETI), 6(3): 374–379.
Halim, F.R., Suwandi dan Suhendi, A. 2016. Rancang Bangun Syringe Pump
menggunakan Motor Stepper Berbasis Arduino. e-Proceeding of
Engineering, 3(2): 2078–2085.
Hapidin, D.A., Saleh, I., Khairurrijal dan Munir, M.M. 2017. Design and
Development of a Series-Configuration Mazzilli Zero Voltage Switching
Flyback Converter as a High-Voltage Power Supply for Needleless
Electrospinning. Procedia Engineering, 170: 509–515.
Hong, S.S., Ji, S.K., Jung, Y.J. dan Roh, C.W. 2010. Analysis and Design of a
High Voltage Flyback Converter with Resonant Elements. Journal of Power
Electronics, 10(2): 107–114.
Hsu, W.-C., Chen, J.-F., Hsieh, Y.-P. dan Wu, Y.-M. 2017. Design and Steady-
State Analysis of Parallel Resonant DC-DC Converter for High-Voltage
Power Generator. IEEE Transactions on Power Electronics, 32(2): 957–966.
Huang, Z.M., Zhang, Y.Z., Kotaki, M. dan Ramakrishna, S. 2003. A Review on
Polymer Nanofibers by Electrospinning and Their Applications in
Nanocomposites. Composites Science and Technology, 63(15): 2223–2253.
78
Instruments, T. 2016. Switching Regulator Fundamentals. Datasheet, 1(1): 1–28.
Junaidi dan Prabowo, Y.D. 2018. Project Sistem Kendali Elektronik Berbasis
Arduino. Bandar Lampung: Aura.
Kawasaki, E.S. dan Player, A. 2005. Nanotechnology, Nanomedicine, and The
Development of New, Effective Therapies for Cancer. Nanomedicine:
Nanotechnology, Biology, and Medicine, 1(2): 101–109.
Koo, G.-B. dan Youn, M.-J. 2004. A New Zero Voltage Switching Active Clamp
Flyback Converter. IEEE Power Electronics, 1(1): 508–510.
Li, D. dan Xia, Y. 2004. Electrospinning of Nanofibers: Reinventing The Wheel.
Advanced Materials, 16(14): 1151–1170.
Li, W.J., Laurencin, C.T., Caterson, E.J., Tuan, R.S. dan Ko, F.K. 2002.
Electrospun nanofibrous structure: A novel scaffold for tissue engineering.
Journal of Biomedical Materials Research, 60(4): 613–621.
Marpik 2016. Arduino Nano CH340 – Schematics and Details. Tersedia di
http://actrl.cz/blog/index.php/2016/arduino-nano-ch340-schematics-and-
details/. Diakses pada 6 September 2018.
McClusky, S.L. 2010. High Voltage Resonant Self-Tracking Current-Fed
Converter. San Luis Obispo: California Polytechnic State University.
Miyan, H., Tavade, C.M., Deshpande, L.M. dan Prashanth, R.S. 2012. Design and
Implementation of High Frequency Transformer for SMPS Based Flyback
DC-DC Converter. International Journal of Engineering and Technology,
4(6): 494–499.
Munir, M.M., Khairurrijal dan Hapidin, D.A. 2015. Designing of a High Voltage
Power Supply for Electrospinning Apparatus Using a High Voltage Flyback
Transformer (HVFBT). Applied Mechanics and Materials, 771: 145–148.
Persada, E.M. 2017. Presisi dan Akurasi. Tersedia di
http://www.eralika.com/article/presisi-dan-akurasi/. Diakses pada 25 Maret
2019.
Pratiwi, N.A., Karnoto dan Syakur, A. 2018. Perancangan Pembangkit Tegangan
Tinggi Implus 11,20 kV dengan Menerapkan Zero Voltage Switching (ZVS)
pada Konverter Flyback. Transmisi, 20(1): 8–14.
Purnawati, D., Nugraheni, A.D., Laraswati dan Shalihah, H. 2000. Pembuatan
Nanofiber Polivinil Alkohol ( PVA ) dengan Metode Electrospinning sebagai
Masker Debu Vulkanik. Journal Fisika Indonesia, 21(1): 24–26.
Rajak, A., Sawitri, A., Munir, M.M., Khairurrijal dan Iskandar, F. 2016. Synthesis
of Electrospun Nanofibers Membrane and Its Optimization for Aerosol Filter
Application. KnE Engineering, 1(1): 1–7.
Ramachandran, G. 2013. Zero Voltage Switching DC-DC Converter With High
Voltage Gain and High Power Application. International Journal of
Scientific & Engineering Research, 4(5): 404–407.
79
Santoso, W.B., Santoso, B., Sukandar dan Susila, I.P. 2015. Pengatur Catu Daya
Tegangan Tinggi Perangkat Mammografi MX-13 Berbasis Pulse Width
Modulation. Jurnal Perangkat Nuklir, 9(2): 91–101.
Sukaryono dan Kurnia, E. 2014. Perencanaan dan Pembuatan Simulasi Alat
Pembangkit Tegangan Impuls Maksimum 150 kV Sebagai Alat Bantu
Pengujian Bahan Isolator. Journal Energy, 4(2): 48–58.
Supani, A. dan Azwardi 2015. Penerapan Logika Fuzzy dan Pulse Width
Modulation untuk Sistem Kendali Kecepatan Robot Line Follower. INKOM,
9(1): 1–10.
Syahwil, M. 2017. Panduan Mudah Belajar Arduino menggunakan Simulasi
Proteus. Yogyakarta: Andi Offset.
Tamuri, A.R., Bidin, N. dan Mad Daud, Y. 2009. Nanoseconds Switching for
High Voltage Circuit using Avalanche Transistors. Applied Physics
Research, 1(2): 25–29.
Tecnology, S.W. 2011. Segment Digit LED Display User’s Manual. Datasheet,
1(1): 1–51.
Wahyudi, T. dan Sugiyana, D. 2011. Pembuatan Serat Nano Menggunakan
Metode Electrospinning. Balai Besar Tekstil, 26(1): 29–34.
Wnek, G.E., Carr, M.E., Simpson, D.G. dan Bowlin, G.L. 2003. Electrospinning
of Nanofiber Bibrinogen Structures. Nano Letters, 3(2): 213–216.
Yoshida, K., Ishii, T. dan Nagagata, N. 2003. Zero Voltage Switching Approach
for Flyback Converter. IEEE, 12(1): 324–329.
Yoshimoto, H., Shin, Y.M., Terai, H. dan Vacanti, J.P. 2003. A Biodegradable
Nanofiber Scaffold by Electrospinning and Its Potential for Bone Tissue
Engineering. Biomaterials, 24(12): 2077–2082.
Yun, K.M., Hogan, C.J., Matsubayashi, Y., Kawabe, M., Iskandar, F. dan
Okuyama, K. 2007. Nanoparticle Filtration by Electrospun Polymer Fibers.
Chemical Engineering Science, 62(17): 4751–4759.
Yunus, Y., Trisanyoto, N. dan Ekasakti, A. 2016. Analisis Transformator Flyback
Sebagai Pembangkit Tegangan Tinggi untuk Pesawat Sinar-X Medik.
Prosiding SNATIF. hal.367–374.