Jurnal: Elektrika Borneo (JEB) Vol.
No.
Oktober 2024, hlm.
p-ISSN 2443-0986
e-ISSN 2685-001X
DESAIN OSILATOR SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION (SPWM)
PADA INVERTER PURE SINE WAVE SECARA DIGITAL
MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER
Muhammad Yunus1*.
Linda Sartika2.
Abdul Muis Prasetia3.
Natalis Laga Suban Temu4.
Tri Noviyansyah5
2,3,4,5
PT.
Satelit Nusantara Tiga.
Kalimantan Utara Indonesia Universitas Borneo Tarakan.
Kota Tarakan.
Kalimantan Utara Indonesia *yunus19st@gmail.
AbstractAiElectrical energy is a vital requirement for life, especially AC (Alternating Curren.
electrical energy.
Power plants that produce AC voltage still use a lot of fossil fuels in which their availabilities are dwindling.
To cope with condition, an alternative source of electricity in the form pf DC (Direct Curren.
energy from a battery can be benefitted as a source of electrical energy to replace fossil fuels.
The equipment that can be used to utilize alternative energy is a pure sine wave inverter using the SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulatio.
This inverter requires an oscillator.
The oscillator used in this study was a microcontroller that was designed by entering a command program so that it produced a Pulse Width Modulation (PWM) signal which controlled the MOSFET on the inverter.
This inverter used a 27 Volt DC source from a battery and then converted it into A220 Volt AC energy, with a frequency of A50 Hz, and a sine wave output.
The purpose of designing this tool was to convert DC energy into AC and had a sine wave output so that alternative energy in the form of DC energy can be utilized.
PENDAHULUAN
Kebutuhan akan energi listrik semakin meningkat pada kehidupan masyarakat, namun tidak diringi dengan ketersediaan energi tak terbarukan.
Energi tak terbarukan berupa energi fosil semakin berkurang, hal tersebut menjadi salah satu penyebab terjadinya krisis energi listrik dunia dikarenakan sebagian besar pemenuhan energi listrik disuplai dari pembangkit tenaga listrik yang menggunakan energi fosil.
Salah satu tindakan yang bisa diambil untuk mengatasi krisis energi yaitu dengan menggunakan energi terbarukan atau biasa disebut energi alternatif.
Energi alternatif sendiri dapat diperbarui dan tidak dapat habis .
Energi terbarukan bisa dijadikan solusi untuk menjadi sumber energi cadangan.
beberapa energi terbarukan tegangan keluaran yang dihasilkan dalam bentuk DC (Direct Curren.
, tegangan tersebut dapat dimanfaatkan dan dapat diubah menjadi tegangan AC (Alternating Curren.
menggunakan inverter pure sine wave untuk bisa memenuhi kebutuhan listrik yang pada umumnya menggunakan tegangan AC .
Pure sine wave atau true sine wave merupakan gelombang inverter yang hampir menyerupai gelombang sinusoidal sempurna, dengan THD (Total Harmonic Distortio.
kurang dari 3%.
Inverter jenis ini umumnya menggunakan teknologi PWM dengan bentuk gelombang keluaran yang hampir menyerupai gelombang sinusoidal .
Untuk membangkitkan sinyal pulse width modulation (PWM) tersebut diperlukan sebuah osilator.
Osilator merupakan alat yang berfungsi sebagai pembangkit sinyal yang berupa gelombang atau getaran .
Dengan kata lain osilator merupakan komponen utama yang mengontrol sistem atau dapat disebut juga sebagai pusat kendali pada sistem yang ada.
Sinyal SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulatio.
dapat dibangkitkan menggunakan metode analog dan digital, dua metode ini menggunakan cara yang berbeda dalam membangkitkan sinyal SPWM .
Cara kerja dari metode analog yaitu membangkitkan sinyal referensi yang berupa sinyal sinusoidal dengan sinyal carrier yang berupa sinyal segitiga secara terpisah.
Sedangkan metode digital membangkitkan sinyal, dalam metode digital digunakan beberapa baris coding untuk membangkitkan sinyal KeywordsAi Inverter.
Microcontroller.
Oscillator.
Pure Sine Wave.
SPWM.
IntisariAiEnergi listrik menjadi kebutuhan yang sangat penting bagi kehidupan, terutama energi listrik arus bolakbalik atau AC (Alternating Curren.
Pembangkit listrik yang menghasilkan tegangan AC masih banyak menggunakan bahan bakar fosil yang ketersediaannya semakin menipis.
Untuk mengatasi hal tersebut sumber listrik alternatif berupa energi DC (Direct Curren.
dari baterai dapat dimanfaatkan sebagai sumber energi listrik pengganti bahan bakar fosil.
Peralatan yang bisa digunakan untuk memanfaatkan energi alternatif tersebut adalah inverter.
pure sine wave menggunakan teknik SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulatio.
Pada inverter ini diperlukan sebuah Osilator yang digunakan pada penelitian ini adalah mikrokontroler yang didesain dengan cara memasukan program perintah, sehingga menghasilkan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) yang akan mengendalikan MOSFET.
Pada inverter ini menggunakan sumber DC 27 Volt dari battery lalu dikonversi menjadi tegangan AC A220 Volt, memiliki frekuensi A50 Hz, dan output gelombang yang berbentuk sinus.
Tujuan dari perancangan alat ini adalah merubah energi DC menjadi AC dan memiliki output gelombang yang berbentuk sinus.
sehingga energi alternatif tegangan DC dapat dimanfaatkan.
Kata KunciAi Inverter.
Mikrokontroler.
Osilator.
Pure Sine Wave.
SPWM.
Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 35 SPWM secara langsung tanpa membangkitkan dua buah sinyal .
Dengan begitu mikrokontroler dapat dijadikan sebagai osilator pembangkit sinyal SPWM dan dapat diaplikasikan pada inverter pure sine wave dengan cara memprogram mikrokontroler tanpa harus membangkitkan dua buah sinyal yaitu sinyal pembawa dan sinyal referensi .
Osilator SPWM menggunakan mikrokontroler yang akan diaplikasikan pada inverter pure sine wave akan mengkonversi tegangan DC menjadi tegangan AC, sehingga dapat menjadi solusi permalasahan berkurangnya energi tak terbarukan dan dapat dipakainya energi menghasilkan tegangan DC.
II.
METODE PENELITIAN
Secara berurut langkah-langkah penelitian yang dilakukan adalah :
Studi literatur Desain dan perancangan alat Pengujian alat Pengumpulan data Analisa data Gambar 1.
Diagram Alir Penelitian Langkah-langkah penelitian secara sistematis dalam bentuk diagram alir dapat dilihat pada Gambar 1 dimana diawali dengan studi literatur dilanjutkan dengan desain dan perancangan alat.
Kemudian dilakukannya pengujian yang dimana jika pengujian gagal atau tidak memenuhi maka mengulang tahap desain dan perancangan alat.
Namun, jika alat dapat bekerja dengan baik maka dapat dilakukannya tahap analisa data.
Langkah ke dua dalam penelitian ini adalah melakukan desain dan perancangan alat.
Secara berurut desain dan perancangan alat yang dilakukan adalah sebagai berikut :
Desain osilator mikrokontroler, mikrokontroler yang digunakan adalah arduino uno.
Osilator didesain dengan cara memasukan program menggunakan software Arduino Ide.
Perancangan MOSFET menggunakan transistor 8550.
Perancangan rangkaian half bridge inverter menggunakan MOSFET IRF3205.
Perancangan filter transformator dan kapasitor.
Langkah ke tiga yang dilakukan yaitu melakukan pengujian alat yang dibagi menjadi beberapa tahapan Pengujian osilator mikrokontroler.
Pengujian rangkaian driver MOSFET.
Pengujian rangkaian half bridge inverter.
Pengujian inverter tanpa filter dan menggunakkan Pengujian inverter menggunakan beban.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Setelah melalui rangkaian pengujian dan pengambilan data, adapun hasil yang diperoleh akan dibahas pada pembahasan sebagai berikut.
Perangkat Sistem yang Dirancang Perangkat osilator sinusoidal pulse width modulation (SPWM) pada inverter pure sine wave secara digital menggunakan mikrokontroler yang telah dirancang ini menggunakan tegangan DC sebagai tegangan sumber.
Osilator mikrokontroler merupakan sebuah pengendali utama pada alat ini untuk menciptakan sinyal PWM.
Agar osilator mikrokontroler dapat membangkitkan sinyal PWM, maka osilator tersebut perlu diberi perintah menggunakan program.
Sistem kerja dari osilator ini yaitu setelah program dimasukan, maka program tersebut akan diproses oleh mikrokontroler dan dikirim ke pin output osilator mikrokotroler yaitu pin 9 dan 10.
Pin tersebut merupakan perantara penghubung antara osilator dengan perangkat output.
Setelah osilator selesai menghasilkan sinyal PWM, selanjutnya sinyal PWM akan disalurkan pada komponen output yang terhubung pada pin 9 dan 10 yaitu driver MOSFET.
Driver MOSFET akan menaikkan, tegangan yang dihasilkan dari osilator sebesar 1.
584 Volt DC dinaikkan menjadi 2.
239 Volt DC.
Driver MOSFET akan mengendalikan kaki gate MOSFET pada rangkain half bridge inverter, saat kaki gate MOSFET Q1 dan Q2 diberi sinyal positif dari driver MOSFET maka Q1 dan Q2 dalam keadaan ON dan akan mengalirkan arus pada kumparan primer transformator sisi atas, sedangkan sisi bawah pada MOSFET Q3 dan Q4 akan OFF dan tidak dapat mengalirkan arus.
Sebaliknya jika MOSFET Q3 dan Q4 dialiri sinyal positif oleh driver MOSFET maka Q3 dan Q4 dalam kondisi ON dan mengalirkan arus kumparan primer transformator sisi bawah, sedangkan pada sisi atas arus tidak dapat mengalir karena driver MOSFET tidak mengaliri sinyal positif pada gate MOSFET Q1 dan Q2.
Dengan demikian tranformator mengalami induksi dan menghasilkan tegangan 220 Volt AC.
Adapun hasil rancangan alat osilator sinusoidal pulse Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 36 width modulation (SPWM) pada inverter pure sine wave secara digital menggunakan mikrokontroler ditampilkan pada Gambar 2.
Berikut adalah perhitungan frekuensi dari osilator mikrokontroler yang ditampilkan pada Gambar 3 menggunakan persamaan .
Dimana hasil pembacaan osiloskop yakni Oc Kotak horizontal pin 9 pin 10 berjumlah 8 dan Time/div yang digunakan yakni 2,5 s.
T = Oc yaycuycycayco Eaycuycycnycycuycuycycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce T = 8 y 2,5 y 10-3 T = 20 y 10-3 f =1/T f = 1 / .
y 10-.
f = 50 Hz Gambar 2.
Hasil rancangan Pengambilan Data Pada tahap pengujian osilator mikrokontroler.
Mikrokontroler yang digunakan berupa Arduino UNO.
Pengujian osilator ini menggunakan osiloskop untuk melihat ouput gelombang yang dihasilkan dari pin 9 dan pin 10 Arduino UNO yang telah didesain atau diprogram menggunakan software.
Berikut adalah hasil keluaran gelombang sinyal pulse width modulation (PWM) yang telah didesain:
Gambar 4.
Rangkaian driver MOSFET Gambar 4.
merupakan rangkaian driver MOSFET, dapat dilihat komponen yang digunakan berupa resistor, serta yang menjadi komponen utama yang mengontrol MOSFET adalah transistor 8550.
Pengujian yang dilakukan pada rangkaian ini menggunakan osiloskop.
Hasil pengujian dari rangkaian driver MOSFET berupa gambar gelombang yang berbentuk PWM, serta tegangan yang diukur menggunakan multimeter digital.
Gambar 3.
Gelombang dan tegangan output osilator Dalam menerjemahkan hasil bacaan osiloskop dibutuhkan beberapa persamaan.
Berikut adalah rumus perhitungan pada osilator mikrokontroler:
Menghitung tegangan peak to peak Vpp = Oc yaycuycycayco ycyceycycycnycoycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce .
Menghitung tegangan puncak Vp = Vpp / 2 Menghitung tegangan efektif Vrms = Vp / Oo2 Menghitung periode T = Oc yaycuycycayco Eaycuycycnycycuycuycycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce .
Menghitung frekuensi f =1/T .
Gambar 5.
Gelombang dan tegangan output dari driver
MOSFET
Berikut adalah perhitungan frekuensi dari driver MOSFET yang ditampilkan pada Gambar 5 menggunakan persamaan .
Dimana hasil pembacaan osiloskop yakni Oc Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 37 Kotak horizontal berjumlah 8 dan Time/div yang digunakan yakni 2,5 s.
T = Oc yaycuycycayco Eaycuycycnycycuycuycycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce T = 8 y 2,5 y 10-3 T = 20 y 10-3 f =1/T f = 1 / .
y 10-.
f = 50 Hz Hasil Pengambilan Data Gambar 6.
Osilator mikrokkontroler SPWM pada inverter pure sine wave Pada pengujian inverter pure sine wave ini dibagi menjadi tiga tahapan yaitu pengujian inverter pure sine wave dengan filter transformator, pengujian inverter pure sine wave dengan filter transformator dan kapasitor, pengujian inverter pure sine wave dengan beban, dan pengujian inverter pure sine wave dengan variasi beban dan filter transformator serta kapasitor.
Adapun penjabaran lebih lanjut terkait hal tersebut akan dijabarkan sebagai Pengujian inverter pure sine wave dengan filter Gambar 8.
Gelombang output inverter dengan filter transformator dan kapasitor .
Gambar 7.
Gelombang output inverter dengan filter Pengujian Inverter Pure Sine Wave dengan Filter Transformator dan Kapasitor Gambar 9.
Output tegangan .
dan frekuensi .
inverter menggunakan filter transformator kotak dan kapasitor Hasil pengujian inverter menggunakan filter transformator kotak dan filter kapasitor tanpa beban mendapatkan tegangan output sebesar 220.
4 volt AC dengan frekuensi 49.
96 Hz seperti yang terlihat pada Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 38 Gambar 9.
Tegangan sumber yang yang diperlukan sebesar 27 volt DC untuk mendapatkan tegangan 4 volt AC.
Dapat diilihat pada Gambar 7 bentuk gelombang yang dihasilkan dari inverter tanpa menggunakan filter kapasitor masih tidak beraturan, namun setelah diberi filter kapasitor bentuk gelombang yang didapatkan telah berbentuk sinus seperti yang ditampilkan pada Gambar 8.
Berikut adalah perhitungan tegangan hasil pembacaan osiloskop menggunakan persamaan .
, .
, dan .
Vpp = Oc yaycuycycayco ycyceycycycnycoycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce Vpp = 11,4 y 5 Vpp = 570 Volt Gambar 11.
Tegangan hasil pengujian pemberian beban lampu 8 watt Vp = Vpp / 2 Vp = 570 / 2 Vp = 285 Volt Berikut menggunakan beban lampu 8W hasil pembacaan osiloskop yang tertampil pada Gambar menggunakan persamaan .
, .
, dan .
Vrms = Vp / Oo2 Vrms = 285 / Oo2 Vrms = 201,52 Volt Vpp = Oc yaycuycycayco ycyceycycycnycoycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce Vpp = 8,6 y 5 Vpp = 430 Volt Pengujian inverter dengan beban lampu 8W Dapat dilihat pada Gambar 11 tegangan output yang terukur setelah pemasangan beban lampu 8 Watt 7 Volt AC.
Terjadi penurunan tegangan pada saat pemasangan beban lampu 8 Watt yaitu dari 4 Volt menjadi 177.
7 Volt.
Vp = Vpp / 2 Vp = 430 / 2 Vp = 215 Volt Vrms = Vp / Oo2 Vrms = 215 / Oo2 Vrms = 152,02 Volt Pengujian pemberian beban lampu pijar 60 Watt pada inverter pure sine wave dengan filter transformator dan kapasitor.
Pada pengujian pemasangan beban lampu pijar 60 Watt, nilai tegangan yang terukur menurun drastis dari nilai sebelumnya tanpa pemasangan beban yaitu 4 Volt turun hingga 79.
2 Volt saat pemasangan beban seperti yang tertampil pada Gambar 13.
Pada Gambar 12 terlihat bahwa gelombang yang hasilkan saat pemasangan beban lampu pijar 60 Watt berubah menjadi bentuk segitiga.
Berikut adalah perhitungan inverter pure sine wave menggunakan beban lampu 60W menggunakan persamaan .
, .
, dan .
Vpp = Oc yaycuycycayco ycyceycycycnycoycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce Vpp = 10,6 y 2 Vpp = 21.
2 y 10 Vpp = 212 Volt Vp = Vpp / 2 Vp = 430 / 2 Vp = 215 Volt Gambar 10.
Gelombang output inverter pure sine wave dengan beban lampu 8 Watt Vrms = Vp / Oo2 Vrms = 215 / Oo2 Vrms = 152,02 Volt Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 39 Gambar 14.
Gelombang output inverter pure sine wave dengan beban kipas 45 watt Gambar 12.
Gelombang output inverter pure sine wave dengan beban lampu 60 watt Gambar 15.
Tegangan hasil pengujian pemberian beban kipas angin 45 watt Berikut akan dijabarkan perhitungan inverter pure sine wave menggunakan beban kipas angin 45W menggunakan persamaan .
, .
, dan .
Vpp = Oc yaycuycycayco ycyceycycycnycoycayco y ycNycnycoyce/yccycnycyce Vpp = 6,6 y 5 Vpp = 33 y 10 Vpp = 330 Volt Vp = Vpp / 2 Vp = 330 / 2 Vp = 165 Volt Vrms = Vp / Oo2 Vrms = 165 / Oo2 Gambar 13.
Tegangan hasil pengujian pemberian beban lampu pijar 60 watt Pengujian pemberian beban kipas angin 45 Watt pada inverter pure sine wave dengan filter transformator dan kapasitor.
Pada pengujian terakhir yaitu pemberian beban kipas 45 Watt ini didapatkan hasil gelombang yang mengalami perubahan serta nilai tegangan yang menurun dari nilai sebelumnya.
Hasil pengukuran saat kondisi tanpa pemasangan beban tegangan yang terukur yakni 220.
4 Volt mengalami penurunan hingga 122 Volt saat pemasangan beban kipas seperti yang ditampilkan pada Gambar 15.
Vrms = 116,02 Volt Dengan demikian telah didapatkan data dari hasil semua pengujian yang dirangkum pada Tabel I dan Tabel II sebagai berikut.
Tabel I Hasil Pengukuran Inverter Pure Sine Wave Vin Vout 27 Vdc 220,4 Vac 177,7 Vac 79,2 Vac 122,0 Vac Frekuensi Keterangan 96 Hz Tanpa Beban Lampu 8W Lampu 60W Kipas Angin 45W Abdul Muis Prasetia, dkk.
Desain osilator SinusoidalA 40 Tabel II Hasil Pengukuran Inverter Pure Sine Wave Vin Vout 27 Vdc 201,5 Vac 152,0 Vac 74,9 Vac 116, 7 Vac Frekuensi Keterangan 50 Hz Tanpa Beban Lampu 8W Lampu 60W Kipas Angin 45W Dari pengujian pada alat yang telah dilakukan diperoleh hasil pengukuran pada Tabel 1.
menggambarkan bahwa alat yang dirancang dapat mengkonversi tegangan DC menjadi tegangan AC.
Berdasarkan hasil pengujian tegangan sumber DC sebesar 27 Volt mampu menghasilkan tegangan 220.
4 Volt AC.
Hal ini terjadi karena MOSFET tidak bekerja secara Menurut data sheet MOSFET IRF3205.
MOSFET IRF3205 akan bekerja maksimal pada tegangan 20 Volt DC untuk mengendalikan gate MOSFET.
Namun, pada alat ini driver MOSFET hanya dapat menghasilkan tegangan sebesar 2.
239 Volt DC.
Untuk itu, tegangan sumber dinaikan hingga 27 Volt DC agar MOSFET dapat bekerja dan inverter dapat menghasilkan tegangan 220.
Volt AC.
Frekuensi yang terukur pada alat ini yaitu 49.
Hz dan hasil pengujian menggunakan beban didapatkan tegangan mengalami penurunan saat terhubung dengan Pada Tabel 2.
merupakan hasil perhitungan secara manual melalui hasil pembacaan gelombang pada Berdasarkan hasil yang diperoleh persentasi selisih hasil pembacaan multimeter dengan osiloskop yakni berada pada rentang 4-14%.
Nilai selisih terbesar yakni pada beban lampu 8W yang mencapai 14.
IV.
KESIMPULAN
Berdasarkan penelitian serta pengujian alat yang sudah dilaksanakan maka dapat disimpulkan bahwa desain osilator sinusoidal pulse width modulation (SPWM) pada inverter pure sine wave dapat dikatakan berhasil karena dapat menghasilkan gelombang sinus serta tegangan yang terukur dapat mencapai nilai 220.
4 Volt AC dan frekuensi yang dihasilkan juga kurang lebih sebesar 49.
96 Hz.
Untuk mendapatkan tegangan 220.
4 Volt AC alat ini memerlukan tegangan sumber sebesar 27 Volt DC.
Dari pengujian yang sudah dilakukan dapat dikatakan bahwa MOSFET tidak bekerja secara maksimal.
Menurut data sheet MOSFET IRF3205.
MOSFET IRF3205 bekerja maksimal pada tegangan 20 Volt DC untuk mengendalikan gate MOSFET.
Namun pada prakteknya driver MOSFET hanya menghasilkan tegangan sebesar 2.
239 Volt DC.
Untuk itu perlu ditingkatkan tegangan sumber hingga 27 Volt DC agar MOSFET dapat bekerja dan inverter dapat menghasilkan tegangan sebesar 220.
4 Volt AC.
Dari hasil pengujian dengan beban, terjadi penurunanan tegangan pada saat diberi beban.
Tegangan inverter pure sine wave saat diberi beban lampu 8 Watt 37% dari 220.
4 Volt AC menjadi 177.
7 Volt AC, saat diberi beban lampu 60 Watt tegangan turun sekitar 64% dari 220.
4 Volt AC menjadi 79.
2 Volt AC, dan saat diberi beban kipas 45 Watt tegangan turun 44.
64% dari 4 Volt AC menjadi 122 Volt AC.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih disampaikan oleh penulis kepada Tuhan YME serta doa orang tua dan orang yang terlibat, sehingga peneliti mampu menyelesaikan penelitian yang telah dituangkan pada artikel ilmiah ini.
Terima kasih juga peneliti ucapkan kepada dewan redaksi jurnal yang telah meluangkan waktu untuk membuat template ini.
REFERENSI