perancangan dan pembuatan rumah dc: … · charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan...

18
PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI- DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER) TUGAS AKHIR Disusun Oleh : SAMUDI NIM: 201010130311192 JURUSAN ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2015

Upload: lenguyet

Post on 26-Jun-2018

224 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH

DC: KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI-

DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER)

TUGAS AKHIR

Disusun Oleh :

SAMUDI

NIM: 201010130311192

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2015

Page 2: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

ii

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC:

KONTROL MANAJEMEN BATERAI BI-

DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER)

TUGAS AKHIR

Diajukan kepada

Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Malang

Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan

Akademik dalam Menyelesaikan

Program Sarjana (S-1) Teknik

Disusun Oleh :

SAMUDI

NIM: 201010130311192

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2015

Page 3: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

iii

Page 4: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

iv

Page 5: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

v

Page 6: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

vi

ABSTRAKSI

Abstrak-Manajemen baterai dan beban pada proyek DC House ini

mengatur charging dan discharging baterai.. Tugas akhir ini

membahas perancangan dan pembuatan Rumah DC: Kontrol

Manajemen Baterai Bi-directional (DC-DC Converter) menggunakan

topologi buck dan boost konverter dengan menggunakan dua buat

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) untuk

mengatur switching dari rangkaian buck dan boost konverter.

Pengaturan charging dan discharging baterai dan beban menggunakan

tiga buah relay dengan parameter sumber daya listrik, kapasitas

baterai dan beban. Pengujian menggunakan implementasi buck dan

boost konverter menggunakan mikronkontroller Atmega8535 dengan

Pulse With Modulation (PWM) sebagai driver penyulutnya.Tujuan

dari tugas akhir ini adalah perancangan, pembuatan serta Memahami

konsep perancangan dan aplikasi dari pembuatan system Battery

Charge, yang sumbernya berasal dari input (MISO) sebagai sumber

energy untuk pengisian accu yang diaplikasikan sebagai suplay energy

untuk mensuplai beban 150 Watt.

Kata kunci: Buck Boost Converter, battery and load management

Page 7: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

vii

ABSTRACT

Abstract- Battery management and load on the DC House project is

set charging and discharging of the battery .This thesis discusses the

design and manufacturing of House DC: Battery Management Control

Bi-directional (DC-DC Converter) using buck and boost converter

topologies using two for Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor (MOSFET) to regulate the switching of the circuit buck and

boost converter. Setting charging and discharging of the battery and

the load uses three relays with the parameters of the power source, the

battery capacity and load. Tests using implementations buck and boost

converter using mikronkontroller Atmega8535 with Pulse With

Modulation (PWM) as a drivers input.The aim of this thesis is the

design, manufacture and understand the concept of the design and

application of the manufacturing system Battery Charge, which is

derived from the input source (MISO) as a source of energy for

charging batteries which is applied as a supply of energy to supply the

load 150 Watt.

Keywords: Buck Boost Converter, battery and load management

Page 8: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

viii

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr. Wb.

Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah mencurahkan kasih dan

sayang kepada hambaNya sehingga tugas akhir yang berjudul

“PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: KONTROL

MANAJEMEN BATERAI BI-DIRECTIONAL (DC-DC CONVERTER)” dapat terselesaikan yang digunakan sebagai salah satu persyaratan untuk meraih

gelar sarjana S-1.

Banyak sekali pihak yang telah membantu penulis sehingga tugas akhir

ini dapat diselesaikan. Dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima

kasih yang tak terhingga kepada:

1. Orang tua tercinta, yang senantiasa mendoakan dan mendukung secara

materiil demi terselesaikannya tugas akhir ini.

2. Ibuk Ir. Nur Alif Mardiyah,MT., selaku Ketua Jurusan Elektro Universitas

Muhammadiyah Malang, dan juga selaku dosen wali yang selama ini telah

membimbing proses akademis hingga akhir jenjang kuliah.

3. Ermanu Azizul Hakim,Dr.Ir.MT, selaku dosen pembimbing I yang telah

meluangkan waktu untuk membimbing, mengarahkan penulis dengan sabar,

dan selalu memberi semangat dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

4. Ir. Nur Khasan,MT. selaku dosen pembimbing II yang telah meluangkan

waktu untuk membimbing, mengarahkan, dan selalu memberi semangat serta

masukan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

5. Seluruh dosen dan staf TU jurusan elektro UMM, terima kasih banyak atas

bantuannya.

6. Saudara-saudara di rumah, mas Amin, Adikku Wiwit Jayanti terima kasih atas

doa dan dukungannya.

7. Teman-teman seperjuangan elektro 2010, anak-anak Rumah Makan Nelongso,

“Cepet diselesaikan skripsinnya rek ndang kerjo !!!” yang telah membantu dan

mendukung terselesaikannya tugas akhir ini.

8. Pihak-pihak lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu, terima kasih

atas segala bantuan dan motivasinya.

Page 9: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

ix

Jika ada kesalahan dalam penulisan tugas akhir ini, penulis berharap saran

dan kritik yang bersifat membangun guna kesempurnaan dari isi tugas akhir ini.

Semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi penulis dan pembaca.

Wassalamualaikum wr. wb.

Malang, Oktober 2015

Penulis

Page 10: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

x

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ................................................................................................. i

LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................ iii

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................ iv

SURAT PERNYATAAN KEASLIAN ................................................................. v

ABSTRAKSI ........................................................................................................ vi

KATA PENGANTAR ....................................................................................... viii

DAFTAR ISI .......................................................................................................... x

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiv

DAFTAR TABEL ............................................................................................. xvi

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ............................................................................................. 1

1.2 Tujuan ........................................................................................................... 2

1.3 Perumusan Masalah ...................................................................................... 2

1.4 Metodologi ................................................................................................... 2

1.4.1 Studi literatur ....................................................................................... 3

1.4.2 Perancangan Sistem ............................................................................. 3

1.4.3 Perancangan Perangkat Lunak ............................................................ 3

1.4.4 Pembuatan dan Pengukuran atau Pengujian Perangkat Sistem ........... 4

1.4.5 Pengujian Sistem ................................................................................. 4

1.4.6 Analisa Sistem ..................................................................................... 5

1.4.7 Konfigurasi Sistem .............................................................................. 5

1.5 Sistematika Penulisan Laporan .................................................................... 5

BAB II DASAR TEORI

2.1 Proyek Rumah DC ....................................................................................... 7

2.2 Baterai (Accumulator) ............................................................................... ...8

2.2.1 Proses Charge Discharge dengan Arus Konstan ................................ ...8

2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan ................................ ...9

Page 11: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xi

2.3 Battery Charge Regulator (BCR) .............................................................. 12

2.4 Prinsip Kerja Baterai ................................................................................. 14

2.5 Sensor Tegangan dan Arus ....................................................................... 15

2.5.1 Sensor Tegangan .............................................................................. 16

2.5.2 Sensor Arus ...................................................................................... 17

2.6 DC-DC Converter ..................................................................................... 18

2.7 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisitor (MOSFET) ............ .21

2.7.1 Driver MOSFET ............................................................................... .23

2.8 Dasar Switching Converter ....................................................................... .23

2.9 Buck Converter ......................................................................................... .24

2.10 Boost Converter ........................................................................................ .28

2.11 Penentuan LC Filter ................................................................................. .29

2.11.1 Penentuan Nilai Induktansi L ........................................................ .29

2.11.2 Penentuan Nilai Capasitansi C ...................................................... .31

BAB III RANCANGAN SISTEM

3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter ........................... 23

3.2 Desain Buck Converter ............................................................................. 35

3.3 Rangkaian Buck Converter ....................................................................... 38

3.4 Desain Boost Converter ............................................................................ 39

3.5 Rangkaian Boost Converter....................................................................... 42

3.6 Mikrokontroller ATMega8535 .................................................................. 43

3.7 Rangkaian Relay Pengatur Beban ............................................................. 44

3.8 Rangkaian LCD ......................................................................................... 45

3.9 Desain Sensor Tegangan ........................................................................... 45

3.10 Sensor Arus ............................................................................................. 47

3.11 Rangkaian Charge Baterai ........................................................................ 47

3.11.1 Analisa Perhitungan ..................................................................... 49

3.11.2 Prinsip Kerja Charge Baterai ......................................................... 50

3.12 Perhitungan Control Ampere Per-jam (Ah) ............................................. 50

Page 12: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xii

BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA

4.1 Metode Pengujian ...................................................................................... 52

4.2 Pengujian Buck Converter dan Driver Penyulutnya ....................................... 52

4.2.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 53

4.2.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 53

4.2.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 53

4.2.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 53

4.2.5 Hasil Pengujian Buck Coverter ........................................................ 54

4.3 Pengujian Rangkaian Charge Baterai ....................................................... 55

4.3.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 55

4.3.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 55

4.3.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 55

4.3.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 56

4.3.5 Hasil Pengujian Rangkaian Charge .................................................. 56

4.4 Pengujian Boost Converter ......................................................................... 57

4.4.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 57

4.4.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 57

4.4.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 58

4.4.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 58

4.4.5 Hasil Pengujian Boost Converter ..................................................... 58

4.5 Pengujian Sensor Tegangan ....................................................................... 60

4.5.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 60

4.5.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 60

4.5.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 60

4.5.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 60

4.5.5 Hasil Pengujian Boost Converter ..................................................... 60

4.6 Pengujian Relay .......................................................................................... 61

4.6.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 61

4.6.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 61

4.6.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 61

4.6.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 62

4.6.5 Hasil Pengujian Boost Converter ..................................................... 62

Page 13: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xiii

4.7 Pengujian Sensor Arus ACS712 ................................................................ 62

4.7.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 62

4.7.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 62

4.7.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 63

4.7.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 63

4.7.5 Hasil Pengujian Boost Converter ..................................................... 58

4.8 Pengujian Integrasi Keseluruhan ................................................................ 64

4.8.1 Tujuan Pengujian .............................................................................. 64

4.8.2 Alat Yang Dibutuhkan ..................................................................... 64

4.8.3 Gambar Rangkaian ........................................................................... 64

4.8.4 Prosedur Pengujian ........................................................................... 65

4.8.5 Hasil Pengujian Boost Converter ..................................................... 65

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan ................................................................................................. 67

5.2 Saran ........................................................................................................... 67

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 69

Page 14: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Rangkaian Kontroller ........................................................................... 3

Gambar 1.2 Flowchart Tahap-tahap Pengerjaan Proyek Akhir ............................... 4

Gambar 1.3 Perancangan Sitem ............................................................................... 5

Gambar 2.1 Diagram Blok Rumah DC .................................................................... 7

Gambar 2.2 Proses Charge Dengan Arus Konstan .................................................. 9

Gambar 2.3 Proses Discharge Dengan Arus Konstan .............................................. 9

Gambar 2.4 Proses Charge Dengan Daya Konstan ................................................ 10

Gambar 2.5 Proses Discharge Dengan Daya Konstan ........................................... 10

Gambar 2.6 Proses Charge Dengan Arus Konstan dan Tegangan Konstan .......... 10

Gambar 2.7 Proses Discharge Dengan Resistansi Konstan ................................... 11

Gambar 2.8 Blok Diagram Baterai Charge ............................................................ 13

Gambar 2.9 Blok Diagram Baterai Discharge ....................................................... 13

Gambar 2.10 Proses Pengosongan Baterai............................................................. 14

Gambar 2.11 Proses Pengisian Baterai. ................................................................. 15

Gambar 2.12 Rangkaian Tegangan dan Arus. ....................................................... 15

Gambar 2.13 Rangkaian Pembagi Tegangan ......................................................... 16

Gambar 2.14 Sensor Arus ACS712 ....................................................................... 17

Gambar 2.15 DC-DC Converter ............................................................................ 18

Gambar 2.16 Rangkaian PWM .............................................................................. 19

Gambar 2.17 Gelombang Pulsa Keluaran PWM ................................................... 19

Gambar 2.18 Pulse Width Modulation (PWM) ..................................................... 20

Gambar 2.19 Pulse Frekuensi Modulation (PFM) ................................................. 20

Gambar 2.20 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) .... 21

Gambar 2.21 Simbol MOSFET.............................................................................. 22

Gambar 2.22 Driver MOSFET ............................................................................... 23

Gambar 2.23 Rangkaian Dasar Switching Converter ............................................ 23

Gambar 2.24 Tegangan Keluaran ......................................................................... 24

Gambar 2.25 Rangkaian Buck Converter .............................................................. 25

Gambar 2.26 Rangkaian Buck Converter Saat Kondisi ON .................................. 26

Gambar 2.27 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus pada Buck Converter ....... 26

Page 15: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xv

Gambar 2.28 Rangkaian Boost Converter ............................................................. 28

Gambar 2.29 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus pada Boost Converter ..... 29

Gambar 2.30 Arus Induktor ................................................................................... 30

Gambar 2.31 Tegangan Ripple .............................................................................. 31

Gambar 2.32 Arus Capasitor .................................................................................. 32

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Bi-directional DC-DC Converter.................... 33

Gambar 3.2 Rangkaian Buck Converter ................................................................ 38

Gambar 3.3 Rangkaian Boost Converter. .............................................................. 42

Gambar 3.4 Rangkaian ATMega8535 ................................................................... 43

Gambar 3.5 Rangkaian Relay Pengatur Beban ...................................................... 45

Gambar 3.6 Rangkaian LCD 16x2 ......................................................................... 45

Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Tegangan .............................................................. 46

Gambar 3.8 Sensor arus ACS712 .......................................................................... 47

Gambar 3.9 Rangkaian Charge Baterai .................................................................. 47

Gambar 4.1 Gelombang PWM Buck Converter ......................................................... 53

Gambar 4.2 Diagram Blok Rangkaian Power Suplai............................................. 53

Gambar 4.3 Hardware Buck Converter .................................................................. 54

Gambar 4.4 Gelombang Output Buck Converter. .................................................. 54

Gambar 4.5 Hasil Tampilan Buck Converter ......................................................... 55

Gambar 4.6 Diagram Blok Rangkaian Charge ...................................................... 55

Gambar 4.7 Accu pada Saat Mengisi Baterai ........................................................ 56

Gambar 4.8 Gelombang PWM Boost Converter ................................................... 57

Gambar 4.9 Diagram Blok Rangkaian Boost Converter ........................................ 58

Gambar 4.10 Hardware Boost Converter ............................................................... 58

Gambar 4.11 Gelombang Output Boost Converter ................................................ 59

Gambar 4.12 Hasil Tampilan Boost Converter ...................................................... 59

Gambar 4.13 Diagram Blok Rangkaian Sensor Tegangan .................................... 60

Gambar 4.14 Sensor Tegangan ............................................................................ . 60

Gambar 4.15 Diagram Blok Relay ......................................................................... 61

Gambar 4.16 Pengujian Relay................................................................................ 62

Gambar 4.17 Diagram Blok Rangkaian ACS712 .................................................. 63

Gambar 4.18 Pengujian Sensor Arus ACS712 ...................................................... 63

Page 16: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xvi

Gambar 4.19 Hasil Pengujian Sensor Arus ACS712 ............................................. 64

Gambar 4.20 Diagram Blok Seluruh Sistem .......................................................... 64

Gambar 4.21 Integrasi Secara Keseluruhan ........................................................... 65

Page 17: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Kapasitansi Accu ......................................................................... 11

Tabel 2.2 Keterangabn Gambar Sensor Arus ACS712 .......................................... 17

Tabel 2.3 Jenis-jenis Toroid. .................................................................................. 31

Tabel 3.1 Data Komponen Charge Baterai .............................................................. 48

Tabel 4.1 Hasil Pengujuran pada Rangkaian Buck Converter. .............................. 55

Tabel 4.2 Data Pada saar Mengisi accu 12 Volt 9 Ah ........................................... 57

Tabel 4.3 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Boost Converter ............................. 59

Tabel 4.4 Hasil Pengukuran pada Rangkaian Sensor Tegangan ............................ 61

Tabel 4.5 Hasil Pengukuran Integrasi Keseluruhan ............................................... 66

Page 18: PERANCANGAN DAN PEMBUATAN RUMAH DC: … · Charge, yang sumbernya berasal dari input ... enulisan Laporan ... 2.2.2 Proses Charge Discharge dengan Daya Konstan

xviii

DAFTAR PUSTAKA

[1] J. Zhang, “Bidirectional DC-DC Power Converter Design Optimization,

Modeling and Control,” Ph.D dissertation, Dept. Elect. Eng.,Virginia

Polytechnic Institute and State Univ.,Blacksburg, VA, 2008.

[2] Taufik. (2011). “The DC House Project.”[online]. Available:

http://www.calpoly.edu/~taufik/dchouse/indek.html

[3] J. K. Shiau, and C. J. Cheng, "Design of a non-inverting synchronous buck-

boost DC/DC power converter with moderate power level," Robotics and

Computer Integrated Manufacturing, vol. 26, no. 3, pp. 263-267, June 2010.

[4] Perez , Richard, "Lead-acid Battery State of Charge vs.Voltage ",1993.

[5] Gaboriault, Mark, "A High Efficiency, Non-Inverting, Buck-Boost DC- DC

Converter " Allegro MicroSystems 115 Northeast Cutoff Worcester, MA

01606 USA

[6] KAZIMIERCZUK, MARIAN K. "Pulse-width Modulated DC-DC Power

Converters," Wiley, Ohio, 2008.

[7] Sasongko, Firman, “teknik kendali Konverter DC-DC topologi baru mode

boost”. Laporan Tugas Akhir Institut Teknologi Bandung 2008.