Charger baterai Li Po 3 sel menggunakan flyback konverter dengan masukan 220 Vac

TUGAS AKHIR

CHARGER BATERAI LI-PO 3 SEL MENGGUNAKAN

F LYBACK

KONVERTER DENGAN MASUKAN 220 VAC

Diajukan ntuk memenuhi salah satu syarat

memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Program Studi Teknik Elektro

Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

Disusun oleh:

YOHANNES JOKO HANDOYO WIDODO

NIM : 135114030

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FALKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

ii

FINAL PROJECT

CHARGER BATTERY LI-PO 3 CELL USING

F LYBACK

CONVERTER WITH 220 VAC INPUT

In a partial fulfilment of the requirement

For the degree of Sarjana Teknik

Departement of Electrical Engineering

Faculty of Science and Tehnology, Sanata Dharma University

YOHANNES JOKO HANDOYO WIDODO

NIM : 135114030

DEPARTEMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHONOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

v

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO HIDUP

MOTTO:

Hidup ini seperti sepeda. Agar kau tetap

seimbang, kau harus terus bergerak

-Albert Einstein-

Skripsi ini kupersembahkan kepada..…

Allah Tri Tunggal Maha Kudus

Orang tua dan Kakak ku

Sahabatku dan Teman-Teman Seperjuangan

vii

INTISARI

Pada saat ini telah banyak alat – alat elektronik yang membutuhkan sumber energi dari baterai. Jenis baterai yang dipilih merupakan baterai yang bersifat rechargeable, yang dimaksud dengan rechargeable yaitu baterai yang dapat diisi kembali. Salah satu jenis baterai yang dapat diisi kembali yaitu baterai Lithium-Polymer ( Li-Po ) . Baterai Li-Po banyak digunakan pada bidang remote kontrol, drone, dan robotika. Banyak pengguna yang memilih baterai tersebut karena memiliki kapasitas penyimpanan energi listrik yang besar serta kemampuan discharge rate yang tinggi, dan memiliki bentuk yang kecil. Kemampuan yang tinggi dari baterai Li-Po, membuat baterai tersebut memiliki umur yang pendek dibandingkan jenis baterai lainnya, karena itu maka baterai Li-Po membutuhkan penanganan khusus dalam hal pengisian (charging).

Pada penelitian ini dilakukan perancangan perangkat keras dan perangkat lunak untuk kontrol charger baterai li-po. Sumber yang digunakan untuk melakukan pengisian berasal dari flyback konverter dengan masukan 220 Vac, kontrol charger ini menggunakan Atmega 328 sebagai pemproses data. Kontrol charger akan mengkontrol untuk pengisian tiap sel baterai. LCD 16x2 digunakan sebagai tampilan pada alat ini. Pada LCD tersebut akan tertampil lama waktu pengisian dan tegangan untuk tiap sel baterai, jika kondisi sel baterai tersebut telah penuh maka pengisian otomatis terputus.

Hasil pengujian menunjukan bahwa kontrol charger bisa mengatur pengisian baterai, dengan hasil akhir rata – rata tingkat keberhasilan untuk sel 1 sebesar 99,05 %, sel 2 sebesar 99,77%, dan sel 3 sebesar 99,41%.Sensor tegangan menggunakan optocoupler dengan rata - rata tingkat keberhasilan sel 1 sebesar 99,36%, sel 2 sebesar 99,67%, sel 3 sebesar 99,14%.

viii

ABSTRACT

At this time has many electronic devices that require energy source of the battery. The selected battery type is a rechargeable battery, which is a rechargeable rechargeable battery. One type of rechargeable battery is Lithium-Polymer battery (Li-Po). Li-Po batteries are widely used in the field of remote control, drone, and robotics. Many users choose the battery because it has a large electrical energy storage capacity as well as a high discharge rate capability, and has a small shape. The high capability of Li-Po batteries, making the battery has a short life compared to other types of batteries, therefore Li-Po batteries require special handling in the case of charging (charging).

In this research, the design of hardware and software for control of li-po battery charger. The source used for charging comes from a converter flyback with 220 Vac input, this charger control uses Atmega 328 as data processing. The charger control will control for charging each battery cell. 16x2 LCD is used as a display on this tool. In the LCD will display the duration of charging and voltage for each battery cell, if the battery cell condition is full then the automatic charging is lost.

The test results show that the charger control can adjust the battery charging, with the final result of the average success rate for cell 1 is 99.05%, the cell 2 is 99.77%, and the cell 3 is 99.41%. The voltage sensor uses optocoupler with The average success rate of cell 1 is 99,36%, cell 2 is 99,67%, cell 3 is 99,14%.

ix

KATA PENGANTAR

Syukur kepada Allah atas segala rahmat dan kasih-Nya yang senantiasa memberikan kekuatan dan penghiburan kepada penulis melalui perjumpaan-perjumpaan dengan setiap orang dalam kehidupan sehari-hari sehingga tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik.

Dalam penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa banyak bantuan dan bimbingan serta dukungan yang didapatkan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih kepada:

1. Bapak Sudi Mungkasi, Ph.D., selaku Dekan Falkultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma.

2. Bapak Petrus Setyo Prabowo, S.T., M.T., selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma.

3. Bapak Martanto.M.T , selaku Dosen Pembimbing tugas akhir yang telah meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan.

4. Bapak Pius Yozy Merucahyo, ST., MT., selaku dosen pembimbing akademik Program Studi Teknik Elektro angkatan 2013.

5. Bapak Petrus Setya Prabowo S.T., M.T. dan Ir. Tjendro M.Kom selaku dosen penguji.

6. Seluruh Dosen Teknik Elektro yang telah memberikan ilmu yang bermanfaat kepada penulis selama proses perkuliahan.

7. Papa, mama, dan kakak ku serta keluarga yang telah memberikan perhatian dan dukungan.

8. Seluruh teman-teman prodi Teknik Elektro atas kerja sama dan kebersamaannya selama menjalani studi.

9. Teman-teman kos yang menjadi teman hidup serumah dalam menjalani masa studi. 10.Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu per satu atas bantuan,

xi

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL (Bahasa Indonesia) ... i

HALAMAN JUDUL (Bahasa Inggris) ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN ... iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... iv

HALAMAN PERSEMBAHAN DAN MOTTO HIDUP ... v

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS ... vi

INTISARI ... vii

ABSTRACT ... viii

KATA PENGANTAR ... ix

DAFTAR ISI ... xi

DAFTAR GAMBAR ... xiv

DAFTAR TABEL ... xvii

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1

1.2. Tujuan dan Manfaat ... 2

1.3. Batasan Masalah ... 2

1.4. Metodologi Penelitian ... 2

BAB II DASAR TEORI 2.1. Baterai Li-Po ... 4

2.1.1. Discharge Rating( “C” rating ) dan Pengisian ... 4

2.2. Konverter Flyback ... 5

2.3.IC UC3845 ... 10

2.3.1. UVLO ... 11

2.3.2. Osilator ... 12

2.3.3. Sensor Arus ... 13

2.3.4. Error Amplifier ... 13

2.4. Tipe dua Kompensator ... 15

xii

2.6. TL431 ... 18

2.7. Mikrokontroler Atmega 328 ... 19

2.7.1. Konfigurasi pin Atmega 328 ... 19

2.7.2. Timer / Counter ... 20

2.7.3. Analog to Digital Converter (ADC) ... 21

2.8.LCD 16x2 ... 21

2.9. Trafo ... 22

2.10. Sensor Arus ACS712 ... 24

2.11. Mosfet ... 25

2.11.1. Struktur Mosfet ... 25

2.11.2. Karakteristik Pensaklaran Mosfet ... 25

2.12. Optocoupler 4n35 ... 26

2.13. Regulator 7805 ... 27

BAB III PERANCANGAN 3.1. Model Sistem ... 29

3.2. Perancangan Perangkat Keras ... 30

3.2.1. Perancangan Flyback Konverter ... 30

3.2.2. Perancangan Rangkaian Umpan balik ... 40

3.2.3. Minimum Sytem tmega 328 ... 41

3.2.4. Rangkaian LCD 16x2 ... 42

3.2.5. Sensor Arus dan Tegangan ... 42

3.2.6. Regulator & Tombol ... 44

3.2.7. Driver Mosfet ... 45

3.3. Perancangan Perangkat Lunak ... 45

3.3.1.Diagram Alir Program Utama ... 46

3.3.2. Diagram Alir Cek Tegangan Baterai ... 47

3.3.3. Diagram Alir Menentukan Arus Awal ... 48

3.3.4. Diagram Alir Proses Pengisian ... 49

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Bentuk Fisik Hardware ... 51

4.2. Cara Kerja Alat dan Penggunaan Alat ... 53

xiii

4.2.2. Cara Penggunaan Alat ... 54

4.3. Perubahan Perancangan Flyback Konverter ... 54

4.4. Perubahan Diagram Alir Cek Tegangan ... 58

4.5. Pengujian Flyback Konverter ... 58

4.6. Analisa dan Pengujian Sistem ... 64

4.7. Pengujian Sensor Tegangan ... 70

4.8. Pengujian Sensor Arus ... 75

4.9. Pembahasan Software ... 71

4.9.1. Tampilan Menu LCD ... 78

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan ... 83

5.2. Saran ... 83

DAFTAR PUSTAKA ... 84

LAMPIRAN

Lampiran 1 Tabel Data Pengujian Pengisian Satu ... L2

Lampiran 2 Listing program Pengisian ... L-25

Lampiran 3 Skematik Rangkaian Kontrol Charger ... L-52

Lampiran 4 Skematik Rangkaian Flyback Konverter ... L-43

Lampiran 5 Data Pengujian Flyback Konverter ... L-54

Lampiran 6 Perhitungan Perubahan Flyback Konverter ... L-58

xiv

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Diagram blok sistem ... 3

Gambar 2.1. Baterai Li-Po ... 4

Gambar 2.2. Konverter flyback... 5

Gambar 2.3. Arus primer dan sekunder ... 5

Gambar 2.4. Gelombang tegangan kapasitor masukan. ... 6

Gambar 2.5. Gelombang arus tipe DCM. ... 7

Gambar 2.6. Ids mosfet dan Krf ... 8

Gambar 2.7. Diagram blok UC3845 ... 11

Gambar 2.8. Posisi Rin dan Cin. ... 12

Gambar 2.9. Karakteristik Fosc, Rt ... 12

Gambar 2.10. Sensor arus ... 13

Gambar 2.11. Continuous inductor current ... 14

Gambar 2.12. Tanpa continuous inductor current ... 14

Gambar 2.13. Error amp open loop gain ... 14

Gambar 2.14. Rangkaian compensator tipe dua ... 15

Gambar 2.15. Rangkaian snubber ... 16

Gambar 2.16. Lonjakan tegangan pada Vds ... 16

Gambar 2.17. Tegangan Vds mosfet dan Vsn ... 17

Gambar 2.18. Rangkaian TL431 ... 20

Gambar 2.19. Konfigurasi pin Atmega328 ... 20

Gambar 2.20. Timing diagram ... 21

Gambar 2.21. Potensio pengatur kontras LCD ... 22

Gambar 2.22. Sandwich winding ... 23

Gambar 2.23. Arah lilitan trafo ... 23

Gambar 2.24. Lilitan dengan 3 kawat... 23

Gambar 2.25. Typical circuit application ACS712 ... 24

Gambar 2.26. Karakteristik tegangan output ... 25

Gambar 2.27. Karakteristik Ids dan Vds ... 25

Gambar.2.28. Rangkaian driver mosfet ... 26

xv

Gambar 2.30. Rangakaian optocoupler ... 27

Gambar 2.31. Rangkaian regulator 7805 ... 27

Gambar 2.32. Rangkaian regulator ... 28

Gambar 3.1. Diagram blok sistem. ... 29

Gambar.3.2. Rancangan 3 D bentuk alat ... 30

Gambar 3.3. Rangkaian UC3845 ... 34

Gambar 3.4. Rangkaian snubber ... 38

Gambar 3.5. Rangkaian compensator... 39

Gambar 3.6. Rangkaian TL431 ... 40

Gambar 3.7. Rangkaian osilator ... 41

Gambar 3.8. Rangkaian reset ... 41

Gambar 3.9. Rangkaian LCD 16x2 ... 42

Gambar 3.10. Rangkaian ACS712 ... 42

Gambar 3.11. Rangkaian sensor tegangan ... 43

Gambar 3.12. Karakteristik 4n35 sebagai sensor tegangan ... 43

Gambar 3.13. Regulator tegangan 5v ... 44

Gambar 3.14. Rangkaian driver mosfet ... 45

Gambar 3.15. Diagram alir program utama ... 45

Gambar 3.16. Diagram alir program cek tegangan ... 46

Gambar 3.17. Diagram alir menentukan arus awal ... 47

Gambar 3.18. Diagram alir proses pengisian baterai... 48

Gambar 4.1. Kontrol charger ... 51

Gambar 4.2. Flyback konverter ... 52

Gambar 4.3. Komponen penyusun alat ... 53

Gambar 4.4. Rangkaian flyback konverter dengan keluaran 12V,5V,5V. ... 56

Gambar 4.5. Perubahan Diagram blok sistem. ... 57

Gambar 4.6. Rangkaian Flyback konverter menggunakan ICSTR6252. ... 57

Gambar 4.7. Perubahan diagram alir cek tegangan. ... 58

Gambar 4.8. Pengujian keluaran 5V dengan beban 5 Ohm... 59

Gambar 4.9. Pengujian keluaran 5V dengan beban 20 ohm... ... 60

Gambar 4.10 Gelombang output 10V pada kondisi tanpa beban. ... 61

Gambar 4.11. Pengukuran tegangan Vds saat kondisi tanpa beban... ... 62

xvi

Gambar 4.13. (a) Lilitan rapat sekunder trafo. (b) Lilitan renggang sekunder trafo. ... 63

Gambar 4.14. Pengujian kontrol charger saat melakukan pengisian baterai... ... 64

Gambar 4.15. Grafik tegangan sel-1 terhadap waktu... ... 66

Gambar 4.16. Grafik Arus pengisian sel-1 terhadap waktu... ... 67

Gambar 4.17. Grafik tegangan sel-2 terhadap waktu... ... 67

Gambar 4.18. Grafik arus Sel-2 terhadap waktu... ... 68

Gambar 4.19. Grafik tegangan sel-3 terhadap waktu... ... 68

Gambar 4.20. Grafik arus pengisian sel-3 terhadap waktu... ... 69

Gambar 4.21. Rangkaian Optocoupler sebagai Sensor Tegangan... ... 70

Gambar 4.22. Optocoupler yang digunakan sebagai sensor tegangan... ... 71

Gambar 4.23. Grafik karakteristik optooupler 1... ... 72

Gambar 4.24. Grafik karakteristik optocoupler 2... 72

Gambar 4.25. Grafik karakteristik optocoupler 3... 73

Gambar 4.26. List program pembacaan sensor tegangan... ... 74

Gambar 4.27. Modul sensor arus ACS712 yang digunakan... ... 75

Gambar 4.28. List program pembacaan sensor arus... ... 76

Gambar 4.29. List program tampilan awal... ... 78

Gambar 4.30. Tampilan awal LCD... ... 79

Gambar 4.31. Tampilan tegangan tiap sel dan total baterai... ... 79

Gambar 4.32. List program tampilan tegangan tiap sel... ... 79

Gambar 4.33. Tampilan mengatur kapasitas baterai pada LCD... ... 80

Gambar 4.34. List program mengatur kapasitas baterai... ... 80

Gambar 4.35. Tampilan LCD saat proses pengisian berlangsung... ... 81

Gambar 4.36. List program interrupt lama waktu pengisian. ... 81

Gambar 4.37. List program tampilan LCD saat pengisian. ... 82

xvii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Diode fast recovery... 9

Tabel 2.2. Diode Schottky Barrier ... 9

Tabel 2.3. Fungsi setiap pin UC3845 ... 11

Tabel 2.4. Rekomendasi rating arus dan tegangan ... 18

Tabel 2.5. Nilai Resistor Pull-up. ... 19

Tabel 2.6. Jenis inti trafo ... 22

Tabel 2.7. Deskripsi pin ACS712 ... 24

Tabel 3.1. Rancangan pengisian baterai. ... 50

Tabel 4.0. Hasil perubahan flyback konverter dengan keluaran 12V,5V,5 ……..……. 55

Tabel 4.1. Hasil perhitungan perubahan Flyback konverter (keluaran 10V,12V,5V).. 56

Tabel 4.2. Hasil Pengamatan Error 1 pada Flyback konverter. ... 59

Tabel 4.3. Hasil Pengamatan Error 2 pada Flyback konverter. ... 60

Tabel 4.4. Pengujian pengaruh beban terhadap frekuensi keluaran. ... 61

Tabel 4.5. Pengujian kerapatan lilitan sekunder terhadapat keluaran flyback konverter. 63 Tabel 4.6. (lanjutan) Pengujian kerapatan lilitan sekunder terhadapat keluaran flyback konverter. ... 64

Tabel 4.7. Hasil Pengisian baterai Li-Po setiap 120 detik.. ... 65

Tabel 4.8. (lanjutan) Hasil Pengisian baterai Li-Po setiap 120 detik.. ... 66

Tabel 4.9. Hasil pengukuran saat pengisian berhenti………..……… 69

Tabel 4.10. Perbandingan pengukuran hasil akhir tegangan baterai dengan multimeter. 70 Tabel 4.11. Hasil pengukuran keluaran optocoupler terhadap tegangan baterai……… 71

Tabel 4.12. Hasil Perbandingan sensor tegangan (pengulangan 40x) dengan multimeter ... 73

Tabel 4.13. (lanjutan) Hasil Perbandingan sensor tegangan (pengulangan 40x) dengan multimeter. ... 74

Tabel 4.14. Hasil Perbandingan sensor arus (pengulangan 40x) dengan multimeter.. . 75

Tabel 4.15. (Lanjutan) Hasil Perbandingan sensor arus (pengulangan 40x) dengan multimeter.. ... 76

Tabel 4.16. Pengujian Vout sensor terhadap arus. ... 77

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.

Latar Belakang

Pada saat ini telah banyak alat – alat elektronik yang membutuhkan sumber energi dari baterai. Jenis baterai yang dipilih merupakan baterai yang bersifat rechargeable, yang dimaksud dengan rechargeable yaitu baterai yang dapat diisi kembali. Salah satu jenis baterai yang dapat diisi kembali yaitu baterai Lithium-Polymer ( Li-Po ) . Baterai Li-Po banyak digunakan pada bidang remote kontrol, drone, dan robotika. Banyak pengguna yang memilih baterai tersebut karena memiliki kapasitas penyimpanan energi listrik yang besar serta kemampuan discharge rate yang tinggi, dan memiliki bentuk yang kecil. Kemampuan yang tinggi dari baterai Li-Po, membuat baterai tersebut memiliki umur yang pendek dibandingkan jenis baterai lainnya, karena itu maka baterai Li-Po membutuhkan penanganan khusus dalam hal pengisian (charging). Salah satu aspek yang perlu diperhatikan dalam pengisian baterai Li-Po yaitu overcharging, hal tersebut akan mengakibatkan baterai menjadi panas dan menggelembung, jika terus dibiarkan maka baterai bisa meledak. Oleh karena itu dibutuhkan sebuah alat charger yang dibuat khusus sesuai dengan karakteristik baterai Li-Po, yang memungkinkan dapat mengurangi dampak berkurangnya umur baterai. Pada penelitian sebelumnya yang dibuat oleh Rezadita Novanky “Sistem alat

pengisian baterai lithium polymer menggunakan pengontrol CN3063”[1]. CN3063 merupakan IC yang biasa digunakan untuk pengisian baterai, dengan arus yang dapat diatur sampai 600mA. Pada penelitian yang akan dilakukan, charger menggunakan flyback konverter dengan IC UC3845 dan kontrol charger dengan mikrokontroler atmega 328. Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 watt. Keuntungan utama dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit dibanding konverter lainnya. Konverter ini sering digunakan untuk menghasilkan banyak level tegangan, dengan mendesain lilitan pada trafo. Salah satu keuntungan menggunakan UC3845 untuk kontrol flyback karena ic tersebut memiliki fitur proteksi yang cukup baik dan membutuhkan power yang rendah, serta memiliki error amplifier sebagai umpan balik. Charger dilengkapi oleh LCD (2x16), yang memberikan informasi baterai saat proses pengisian sedang berlangsung, sehingga pengguna dapat mengetahui kondisi baterai. Mikrokontroler yang digunakan yaitu

atmega 328, karena memiliki fitur yang cukup untuk sebagai kontrol charging dan pemproses data.

1.2.

Tujuan dan Manfaat

Tujuan penelitian ini adalah untuk menghasilkan sebuah alat charger untuk mengisi baterai 3 sel Li-Po, dengan masukan dari sumber listrik PLN.

Manfaat penelitian ini adalah :

1. Mencegah terjadinya pengisian berlebihan pada baterai dan menghindari arus yang berlebihan saat pengisian, karena baterai akan dikontrol untuk tiap sel nya. 2. Sebagai acuan dan rujukan dalam mengaplikasikan flyback konverter serta PWM

kontrol pada sistem pengisian baterai.

3. Sebagai bahan referensi mahasiswa dalam mempelajari flyback konverter dan PWM kontrol pengisian baterai.

1.3.

Batasan Masalah

Penelitian akan dibatasi pada pembuatan pengisian baterai menggunakan flyback konverter, yang akan dikontrol menggunakan mikrokontroler atmega 328 dengan bahasa pemrograman C++.

1. Terdapat 3 keluaran charger yang digunakan untuk mengisi sel 1,2, dan 3 pada baterai, dengan arus maksimal pengisian tiap sel 1 A.

2. Frekuensi switching yang digunakan sebesar 67 Khz.

3. Masukan charger dirancang pada tegangan 100 – 240 Vac, 50 Hz . 4. Liquid crystal display (LCD) 2x16 sebagai penampil kondisi baterai. 5. Mikrokontroler atmega 328 sebagai pemproses data dan kontrol charging. 6. TL431 sebagai umpan balik.

1.4.

Metodologi Penelitian

1. Studi litelatur.

Sebelum memulai penelitian ini, langkah pertama yaitu mencari referensi dan data – data yang mendukung untuk pembuatan dan perancangan alat.

2. Perancangan hardware dan software.

Pada tahap ini dilakukan proses perancangan, yang bertujuan untuk menentukan spesifikasi komponen yang akan digunakan, serta membuat algoritma program

yang akan digunakan, sesuai dengan hardware yang akan dibuat. Berikut merupakan diagram blok sistem yang akan dibuat.

Gambar 1.1. Diagram blok sistem

3. Pembuatan hardware dan software.

Pada tahap ini alat akan dibuat sesuai dengan tahapan perancangan, dimulai dari pembuatan rangkaian penyearah sampai pada pembuatan kontrol pengisian. Tahapan pembuatan telah disesuaikan dengan fungsi tiap sistem.

4. Pengambilan data.

Pengambilan data dilakukan dengan cara mengganti baterai dengan dua baterai yang berbeda, dan dilakukan pengamatan terhadap arus charging dan tegangan baterai. 5. Analisa dan pengambilan kesimpulan.

Tahap akhir yaitu analisa dari data yang telah diambil dan kesimpulan. Analisa dilakukan untuk mengetahui apakah alat yang dibuat sudah sesuai dengan perancangan atau belum. Kesimpulan didapatkan dari semua hasil proses pembuatan alat.

Rangkaian Penyearah

Konverter

flyback

Kontrol Pengisian AC

220V

Baterai Li-Po

4

BAB II

DASAR TEORI

2.1. Baterai Li-Po

Baterai lithium polymer (Li-Po) merupakan jenis baterai baru yang banyak digunakan dibanyak perangkat elektronik. Baterai tersebut telah menjadi pilihan utama oleh konsumen yang membutuhkan daya yang besar dan jangka waktu lama [1]. Terdapat tiga spesifikasi yang biasanya tertera pada baterai yaitu discharge rating, capacity, cell count.

Gambar 2.1. Baterai Li-Po [2].

Baterai Li-Po memiliki tegangan tiap sel yaitu 3,7 V, sehingga jika baterai terdiri dari 3 sel maka total tegangan baterai 11,1 V. Jika baterai telah terisi penuh maka tegangan tiap sel mencapai 4,2 V, dan tegangan minimum sel untuk melakukan pengisian yaitu 3 V/ sel, jika tegangan baterai kurang dari 3 V kemungkinan besar baterai telah rusak.

2.1.1.

Discharge Rating ( “C” rating )

dan Pengisian [2]

Besarnya nilai “ C “ merupakan ukuran dari seberapa cepat baterai dapat melakukan

pelepasan energi ( discharge ) dengan aman dan tanpa merugikan baterai . “C” merujuk pada besarnya kapasitas baterai, sebagai contoh pada gambar 2.1 sebuah baterai memiliki kapasitas 5A-50C sehingga beban maksimum yang dapat ditanggung baterai secara terus menerus yaitu 5 x 50 = 250 A. Jika arus beban melebihi batas tersebut, baterai bisa terbakar. Pengisian baterai Li-Po lebih lambat dibandingkan jenis baterai NiMh dan NiCd. C rating juga menentukan kapasitas pengisian yang aman, untuk sebagian besar baterai Li-Po arus pengisian yang aman yaitu sebesar 1C. Namun terdapat baterai Li-Po yang memungkinkan

untuk melakukan fast charging, biasanya pada baterai terdapat keterangan seperti “3C

charger rate”jika kapasitas baterai 5A sehingga arus pengisian yang aman bisa mencapai 15A.

2.2. Konverter Flyback

Dalam industri, topologi yang sering dipakai adalah turunan buck-boost yang lebih popular disebut konverter flyback. Pada konverter ini, energi tersimpan di trafo akan naik saat saklar mosfet ditutup. Saat saklar dibuka, energi tersimpan di trafo akan dikirim ke beban melalui diode. Konverter ini sering digunakan untuk menghasilkan banyak level tegangan, dengan mendesain lilitan pada trafo.

Gambar 2.2. Konverter flyback [3].

Gambar 2.3. Arus primer dan sekunder [3].

Pada saat saklar dalam kondisi on, arus akan mengalir dari input menuju ke lilitan primer. Pada kondisi tersebut energi akan tersimpan pada lilitan primer. Semakin lama waktu on saklar, maka semakin besar arus puncak pada lilitan primer. Diode output dalam kondisi reverse bias dan memblok energi yang tersimpan dalam trafo, arus pada beban didapatkan dari kapasitor output. Pada saat saklar dalam kondisi off, arus pada lilitan primer akan menurun dan mengubah polaritas lilitan sekunder menjadi positif. Diode output dalam

kondisi forward bias dan melewatkan arus dari lilitan sekunder ke output. Pada kondisi ini kapasitor output akan terisi [3]. Untuk merancang konverter flyback langkah pertama yaitu sebagai berikut :

Langkah ke-1. Menentukan spesifikasi sistem [4].

Tentukan nilai awal yang dibutuhkan seperti tengangan masukan, frekuensi masukan, dan efisiensi. Gunakan eff = 0,7 – 0,75 untuk keluaran tegangan rendah dan eff = 0,8 – 0,85 untuk keluaran tegangan tinggi. Maksimum daya masukan dapat dicari menggunakan persamaan berikut :

Untuk konverter flyback yang memiliki keluaran lebih dari satu keluaran, maksimum daya keluaran diperoleh dari total daya tiap keluaran.

Untuk konverter flyback dengan satu keluaran nilai Kl(n) = 1.

Langkah ke-2. Menentukan besarnya range input DC [4].

Menentukan kapasitor masukan DC dengan 2 – 2,5uF per watt daya masukan. Setelah kapasitor input telah ditentukan untuk mencari Vdc min menggunakan persamaan berikut :

Dch merupakan ratio dari pengisian kapasitor input.

Gambar 2.4. Gelombang tegangan kapasitor masukan [4]. Untuk menentukan Vdc max menggunakan persamaan :

� = .

= .

� � = √ ∗ � � � 2₋ � ∗ − ℎ

� ∗ � .

Langkah ke-3. Menentukan maksimum dutycycle [4].

Konverter flyback memiliki dua tipe operasi yaitu Continous Conduction Mode (CCM) dan Discontinous Conduction Mode (DCM). Untuk tiap tipe memiliki keunggulan dan kelemahan tersendiri. Tipe DCM memiliki kondisi pensaklaran yang bagus dan memiliki besar trafo yang kecil dibandingkan dengan tipe CCM.

Gambar 2.5. Gelombang arus tipe DCM[4].

Menentukan nilai Dmax akan mempengaruhi besar Vds mosfet. Nilai Dmax yang disarankan yaitu antara 0,45 – 0,5. Setelah menentukan nilai Dmax, nilai Vds nominal dicari menggunakan persamaan berikut :

Langkah ke-4. Menentukan besarnya induktansi primer [4].

Menentukan besarnya induktansi primer pada kondisi beban penuh dan minimum tegangan masukan.

Fs merupakan frekuensi pensaklaran yang digunakan. Krf merupakan ripple factor pada saat kondisi beban penuh dan masukan minimum.

�� = ₋ ��_{�� ∗ � m�n .} � = � ma� +�� .

Gambar 2.6. Ids mosfet dan Krf [4].

Setelah lilitan primer diketahui, arus puncak ids dan ids rms dapat dicari menggunakan persamaan berikut :

Tahap ke-5. Menentukan besarnya lilitan untuk setiap output [4].

Setelah didapatkan jumlah lilitan primer, untuk mencari lilitan sekunder setiap output menggunakan persamaan sebagai berikut :

Vo1 merupakan tegangan output pertama, sedangkan Vf1 merupakan tegangan maju diode output. Untuk konverter flyback yang memiliki keluaran lebih dari satu maka perbandingannya sebagai berikut :

∆� = � � ∗_{� ∗ �} �� .8 � = _{� � ∗}� _{�� .} � ����= � +∆� . � � = √[ ∗ � 2+ (∆�)

2

] ∗ �� .

= �

� + � .

Tahap ke-6. Menentukan diode penyearah untuk tiap output [4].

Untuk setiap keluaran memiliki diode penyearah, maksimum tegangan balik dan arus rms dicari menggunakan persamaan berikut :

Maksimum tegangan balik diode dan arus :

Diode yang biasa digunakan yaitu tipe diode ultra fast recovery dan schottky barrier. Berikut merupakan tabel diode yang bisa digunakan :

Tabel 2.1. Diode fast recovery [4]. Tabel 2.2. Diode Schottky Barrier [4].

� = � +� �� ∗ (�_�� + � ) . � � = � � ∗ √ − _{�� ∗}�� _�� ∗_{+ �} .

� > , ∗ � . �� > , ∗ � � .

Tahap ke-7. Menentukan kapasitor output [4].

Kapasitor output ditentukan untuk memperoleh keluaran tegangan ripple sesuai dengan rancangan. Semakin besar kapasitornya maka tegangan ripple semakin kecil. Biasanya sangat sulit untuk mendapatkan ripple yang sesuai keinginan, dikarenakan besarnya nilai ESR pada kapasitor. Pada output akan ditambahkan LC filter dengan frekuensi filter antara 1/10 – 1/5 dari frekuensi pensaklaran.

Berikut persamaan untuk menentukan tegangan ripple dan LC filter :

2.3. IC UC3845

IC UC3845 menghasilkan frekuensi tetap dan termasuk current mode controller. IC ini dirancang khusus untuk aplikasikan off-line dan dc-dc konverter. IC ini memiliki 2 model yaitu 8-pin dan 14 pin, yang digunakan untuk merancang flyback konverter yaitu tipe 8-pin. IC ini memiliki banyak kelebihan ( feature ), sebagai berikut :

1. Trimmed Oscillator for Precise Frequency Control. 2. Oscillator Frequency Guaranteed at 250 kHz.

3. Current Mode Operation to 500 kHz Output Switching Frequency.

4. Output Deadtime Adjustable from 50% to 70%.

5. Automatic Feed Forward Compensation.

6. Latching PWM for Cycle−By−Cycle Current Limiting. 7. Internally Trimmed Reference with Undervoltage Lockout.

8. High Current Totem Pole Output.

9. Undervoltage Lockout with Hysteresis. 10.Low Startup and Operating Current.

11.These Devices are Pb−Free and are RoHS Compliant.

12.NCV Prefix for Automotive and Other Applications Requiring.

∆� = �_� ∗ _{∗ � . 8}�� � =

Gambar 2.7. Diagram blok UC3845 [5].

Dari gambar 2.8 menunjukan diagram blok IC UC3845 untuk tipe 8-pin dan 14-pin. Untuk mengakses fungsi yang dimiliki IC UC3845, yaitu melalui pin yang telah disediakan. Fungsi untuk tiap pin adalah sebagai berikut :

Tabel 2.3. Fungsi setiap pin UC3845 [5].

2.3.1. Under Voltage-Lockout (UVLO) [6]

UVLO merupakan salah satu fungsi yang dimiliki IC UC3845. UVLO berfungsi untuk menjamin supplyIC telah cukup sebelum UC3845 beroperasi penuh dan mengaktifkan output. IC UC3845 memiliki spesifikasi 8,4 V ( UVLO turn-on ) dan 7,6 V ( UVLO

turn-off ). Diperlukan Rin dan Cin dengan startup current antara 1mA – 17mA, Cin harus terisi sampai batas UVLO turn-on melalui Rin.

Gambar 2.8. Posisi Rin dan Cin [6].

2.3.2. Osilator [5]

IC UC3845 mampu menghasilkan frekuensi osilator sampai 250 Khz. Untuk mendesain osilator yaitu dengan mengubah nilai Rt dan Ct. Untuk menghitung besarnya nilai Rt dan Ct menggunakan persamaan berikut :

Gambar 2.9. Karakteristik Fosc, Rt [5].

Persamaan diatas digunakan untuk menghitung nilai Fosc, dengan catatan nilai Rt > 5 Kohm. Keluaran frekuensi pensaklaran bernilai setengah dari nilai Fosc, sehingga untuk mendapatkan frekuensi pensaklaran sebesar 50 Khz, dibutuhkan Fosc sebesar 100 Khz.

2.3.3. Sensor Arus [5]

UC3845 memiliki sensor arus pada pin 3. Arus yang mengalir pada induktansi primer akan di konversi menjadi tegangan oleh resistor Rs yang terhubung seri dengan switching mosfet [5]. Tegangan yang dihasilkan akan dibandingkan dengan keluaran dari error amplifier, untuk menentukan besar keluaran dutycyle. Saat kondisi normal arus puncak induktor dikontrol oleh Pin 1 yang merupakan keluaran dari error amplifier. Sesuai dengan persamaan berikut :

Gambar 2.10. Sensor arus [5].

Kondisi yang tidak normal bisa disebabkan oleh beban yang berlebihan, pada saat kondisi tersebut ambang batas komparator sensor arus akan menjadi 1 V.

2.3.4. Error Amplifier

IC UC3845 memiliki error amplifier untuk menentukan besarnya dutycycle. Masukan Non-inverting memiliki tengangan sebesar 2,5 V. Keluaran error amplifier (pin 1), menyediakan exsternal loop compensation. Error amplifier minimum feedback resistansi dibatasi oleh sumber arus penguat sebesar 0,5 mA. Nilai Rf minimum yang dibutuhkan yaitu 8800 ohm untuk mencapai 1 V batas komparator [5]. Terdapat dua topologi untuk mendesain error amplifier, yaitu flyback dengan topologi continuous inductor current dan sebaliknya. Diperlukan juga frekuensi pole dan zero untuk mendesain feedback loop. Berikut tahapan untuk mendesain feedback loop [4] :

1. Tentukan frekuensi Fc, jika menggunakan LC filter tentukan Fc dibawah frekuensi filter.

� = � � − , �_� .

2. Tentukan DC gain kompensator.

3. Tentukan zero kompensator (Fz) sekitar 1/3 Fc. 4. Tentukan pole kompensator (Fp) sekitar 3Fc.

Gambar 2.11. Continuous inductor current [5].

Gambar 2.12. Tanpa continuous inductor current [5].

IC UC3845 memiliki error amplifier dengan tipikal penguatan DC 90 db dan bandwith dari unity gain sebesar 1 Mhz dengan fase 53 derajat [5].

2.4. Tipe Dua Compensator

Tujuan dari penambahan compensation pada error amplifier adalah untuk mengatasi beberapa penguatan dan fase yang membuat catu daya tidak stabil [7]. Terdapat tiga tipe compensation, tipe dua merupakan orde satu dengan satu pole, dan zero.

Gambar 2.14. Rangkaian compensator tipe dua [7].

Gambar 2.14 merupakan rangkaian compensator tipe dua, R1 dan R4 biasa disebut sebagai sampling resistor, yang bertujuan untuk membagi tegangan output yang masuk ke pin inverting Op-Amp. Untuk merancang compensator diperlukan Fp dan Fz, yagn berhubungan dengan output filter pada catu daya.

Fp dan Fz pada output filter [7] :

Fp dan Fz pada error amplifier [7] :

Equivalent Series Resistor (ESR) merupakan nilai hambatan yang terdapat pada kapasitor, biasanya nilai ESR sangat kecil, nilai tersebut menentukan kualitas kapasitor. Co merupakan kapasitor keluaran pada konverter flyback, sedangkan RL merupakan beban.

� = � ∗ � ∗ � . �� = � ∗ ∗ � .

� = � ∗ � ∗ � . �� = � ∗ � ∗ � .

2.5. Rangkaian Snubber [8]

Rangkaian snubber merupakan rangkaian proteksi tegangan induktif. Rangkaian snubber sangat penting dalam mendesain konverter flyback. Ketika mosfet dalam kondisi off, akan terjadi lonjakan tegangan tinggi pada kaki drain mosfet, yang disebabkan oleh resonansi antara induktansi bocor dengan Cds. Tegangan yang berlebihan pada kaki drain dapat menyebabkan mosfet rusak.

Gambar 2.15. Rangkaian snubber [8].

Gambar 2.16. Lonjakan tegangan pada Vds [8].

Langkah pertama untuk merancang snubber yaitu menentukan besarnya tegangan kapasitor

snubber pada kondisi tegangan masukan minimum dan beban penuh (Vsn). Tegangan Vsn

berkisar antara 2 – 2,5 VRO. Tegangan ini untuk menghitung besar disipasi daya pada rangkaian snubber.

Maksimum tegangan ripple Vsn diperoleh menggunakan persamaan :

Vsn dan arus Ids pada kondisi masukan maksimum dan beban penuh :

Gambar 2.17. Tegangan Vds mosfet dan Vsn [8].

Tegangan Vds maksimum pada mosfet :

Tegangan Vds maksimum disarankan 90 % dari rating tegangan Vds mosfet (BVdss) seperti pada gambar 2.17. Tegangan diode snubber seharusnya lebih besar dari tengangan BVdss, biasanya digunakan diode tipe ultra fast dengan rating arus 1 A.

= �_� 2= , � ∗ �� ∗ � _{� + �� .}�

∆� = _{� ∗ � ∗ � . 8}�

� = �� + √�� 2+ � ∗ �� ∗ ∗ � 2 . � = √ ∗ �

� ∗ � .

2.6. TL431

TL431 merupakan shunt regulator yang keluarannya dapat diatur antara 2,5 V sampai 36 V dengan menggunakan dua resistor eksternal. TL431 mempunyai tipikal impedansi dinamis sebesar 0,2 Ohm, dan mempunyai karakteristik turn-on yang tajam sehingga banyak digunakan sebagai pengganti diode zener pada berbagai macam aplikasi [9]. Berikut beberapa kelebihan ( features ) TL431 :

1. Programmable Output Voltage to 36 Volts.

2. Low Dynamic Output Impedance 0.2Ω Typical.

3. Sink Current Capability of 1.0 to 100mA.

4. Equivalent Full-Range Temperature Coefficient of 50ppm/°C Typical.

5. Temperature Compensated For Operation Over Full Rated.

6. Operating Temperature Range.

7. Low Output Noise Voltage.

8. Fast Turn-on Response.

Tabel 2.4. Rekomendasi rating arus dan tegangan [9].

Batas maksimal arus katoda pada TL431 dari tabel 2.4 sebesar 100 mA, sebuah resistor dapat ditambahkan untuk membatasi arus yang masuk ke katoda.

(a) (b)

Gambar 2.18. (a)Rangkaian TL431 [9] (b) aplikasi rangkaian [4].

Untuk menghitung keluaran tegangan Vo menggunakan persamaan sebagai berikut :

Nilai CF dan Rbias pada aplikasi rangkaian sebesar 4,7 n F dan 1,2 K ohm [4]

2.7. Mikrokontroler Atmega 328

AVR atmega 328 merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit yang diproduksi oleh atmel yang berbasis arsitektur RISC. Dengan mengeksekusi instruksi dalam satu siklus clock tunggal, memungkinkan sistem dirancang untuk mengoptimalkan konsumsi daya dan kecepatan pemprosesan [10]. Kristal yang dapat digunakan bisa sampai 20Mhz, menurut datasheet kapasitor keramik yang digunakan sebesar 22pF [10]. Rangkaian reset pada atmega, waktu pengosongan kapasitor dapat dihitung menggunakan persamaan 2.32 [11].

Tabel 2.5. Nilai Resistor Pull-up [10].

Atmega 328 memiliki beberapa fitur seperti berikut [10] :

 25 saluran I/O ( Port.B, Port.C, Port.D ).

 32 Kb memori program flash.

 1024 bytes EEPROM, dan 2 Kb internal SRAM.

 Dua 8-bittimer / counter dan satu 16-bittimer / counter.

 Watchdog timer dengan osilator internal.

 6 PWM pin.

 8 pin ADC 10-bit.

 Programmable serial USART ( Universal Synchronous Ashynchronous

Receiver Transmiter ).

 Port SPI ( Serial Pheriperal Interface ).

2.7.1. Konfigurasi Pin Atmega 328

Deskripsi pin Atmega328 sebagai berikut : 1. PortB (PB7 – PB0 )

PortB sebagai I/O 8-bit dua arah dan beberapa pin digunakan untuk mengakses fitur atmega 328 seperti eksternal interrupt, timer/counter, SPI, I/O komparator. 2. PortC (PC6 – PC0 )

PortC sebagai I/O 7-bit dua arah dan beberapa pin digunakan untuk mengakses fitur atmega328 seperti two-wire serial interface, ADC, exsternal interrupt. Untuk pin PC6 dapat digunakan sebagai reset.

3. PortD (PD7 – PD0 )

PortD sebagai I/O 8-bit dua arah dan beberapa pin digunakan untuk mengakses fitur atmega328 seperti USART, timer/counter, exsternal interrupt.

4. VCC ( power supply ). 5. GND ( ground ).

6. AVCC sebagai sumber tegangan untuk pin A/D konverter.

Gambar 2.19. Konfigurasi pin Atmega328 [10].

2.7.2. Timer / Counter

Atmega 328 memiliki 3 timer / counter yaitu dua 8-bit timer 0, 2 dan satu 16-bit timer-0. Ketiga timer tersebut memiliki beberapa mode operasi seperti mode normal, CTC, fast PWM, dan phase correct PWM. Fungsi timer yang digunakan yaitu untuk membangkitkan gelombang dan interrupt overflow .

Normal mode

Merupakan mode operasi yang sederhana. Pada mode ini counter akan selalu menghitung naik, dan tidak ada fitur reset counter. Counter akan terus menghitung naik sampai mencapai nilai 8-bit, lalu kembali lagi ke awal ( 0x00 ) [10].

Fast PWM mode

Pada mode ini dapat menghasilkan gelombang PWM frekuensi tinggi. Frekuensi tinggi tersebut membuat mode fast PWM cocok digunakan sebagai aplikasi DAC. Register TCNT

hanya mencacah naik saja tidak pernah turun [10]. Berikut timing diagram fast PWM mode :

Gambar 2.20. Timing diagram [10].

Perhitungan Timer 0 untuk interrupt overflow menggunakan persamaan 2.33 [12] :

Keterangan :

t = waktu timer 0

Fclk = frekuesi mikrokontroler ( Kristal )

N = prescaller

2.7.3. Analog to Digital Converter ( ADC )

Pada atmega328 memiliki analog digital converter (ADC) dengan resolusi 10-bit. ADC terhubung ke 8-kanal analog multiplexer yang menuju ke Port C. Nilai minimum ADC mengikuti nilai GND dan nilai maksimum mengikuti nilai tegangan pin AREF [10]. Setelah proses konversi selesai ( ADCSRA.ADIF set ) hasil konversi terdapat pada register ADCL

dan ADCH [10]. Persamaan yang digunakan untuk menghitung hasil ADC :

2.8 LCD 16 x 2

LCD merupakan salah satu perangkat penampil yang sering digunakan saat ini. Salah satu tipe LCD yaitu 16 x 2 yang memiliki 16 kolom dan 2 baris. LCD ini memiliki dimensi panjang sekitar 8 cm dan lebar 3 cm. Untuk mengatur cahaya kontras LCD menggunakan potensio yang berkisar 10k -20k [13]

� � = �� ∗_� . = − ( ∗ � ) .

Gambar 2.21. Potensio pengatur kontras LCD [13].

2.9. Trafo [14]

Pada konverter flyback trafo merupakan faktor yang penting untuk menentukan kinerja konverter seperti efisiensi dan regulasi keluaran. Berbeda dengan trafo normal, trafo flyback pada dasarnya merupakan induktor yang menyediakan penyimpanan energi , coupling, dan isolasi untuk konverter flyback. Pada trafo secara umum arus akan mengalir pada sisi primer dan sekunder bersamaan, namun dalam trafo flyback arus hanya mengalir pada sisi primer saat pengisisan energi dan mengalir ke sisi sekunder pada saat pelepasan energi. Pada trafo flyback terdapat gap antara inti untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan energi. Untuk aplikasi tegangan rendah dan keluaran lebih dari satu, disarankan menggunakan inti yang lebih besar dari rekomendasi. Berikut tabel inti trafo beserta dayanya :

Tabel 2.6. Jenis inti trafo [14].

Urutan pelilitan pada trafo sangat mempengaruhi besarnya induktansi bocor. Dalam trafo yang memiliki keluaran lebih dari satu, lilitan sekunder yang memiliki daya keluaran

paling besar harus ditempatkan sedekat mungkin dengan lilitan primer untuk mendapatkan coupling terbaik dan memperkecil induktansi bocor. Cara yang paling umum dan efektif untuk mengurangi induktasi bocor adalah sandwich widing.

Gambar 2.22. Sandwich winding [14].

Gambar 2.23. Arah lilitan trafo [14].

Lilitan sekunder yang hanya terdiri dari sedikit putaran, sebaiknya diberi jarak pada saat pelilitan bukan berkumpul untuk memaksimalkan coupling dengan lilitan primer. Menggunakan beberapa kawat merupakan teknik tambahan untuk meningkatkan faktor pengisian dan coupling untuk lilitan dengan jumlah yang sedikit.

2.10. Sensor Arus ACS712

ACS712 merupakan sensor arus yang menggunakan prinsip hall-effect . Salah satu kelebihan sensor ini adalah, tegangan keluarannya selalu proposional terhadap arus AC dan DC. ACS712 memungkinkan digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan isolasi tanpa membutuhkan opto-isolator atau teknik isolasi mahal lainnya [15]. ACS712 memiliki delapan pin dengan tipe kemasan SOIC. Berikut merupakan deskripsi tiap pin dan typical circuit application ACS712 :

Gambar 2.25. Typical circuit application ACS712 [15].

Tabel 2.7. Deskripsi pin ACS712 [15].

Karakterisitik tegangan keluaran ACS712 dengan arus puncak sebesar 5 A, memiliki eror keluaran sebesar 1,5 %. Untuk mengurangi eror tersebut biasanya ditambahkan filter kapasitor di pin 6.

2.11. Mosfet [16]

Mosfet merupakan salah satu komponen yang dapat digunakan untuk pensaklaran. Kemampuan pensaklaran diinginkan untuk mendekati ideal, namun pada praktiknya setiap komponen pensaklaran memiliki batas – batas, seperti kemampuan penanganan daya, kecepatan pensaklaran, hambatan saat on-state dan off-state. Kemampuan yang terbatas tersebut menyebabkan terdapat energi yang terbuang saat pergantian kondisi on / off. Berikut merupakan karakteristik ids dan Vds mosfet :

Gambar 2.27. Karakteristik Ids dan Vds [16].

2.11.1.Struktur Mosfet

Mosfet menggunakan struktur vertical untuk meningkatkan rating power. Dalam struktur vertical kaki source dan drain berada disisi berlawanan dari silicon wafer. Nilai Rds on dapat bervariasi antara puluhan miliohms. Besarnya Rds on sangat penting karena mempengaruhi total besar daya yang terbuang. Mosfet memiliki daya yang kecil dibandingkan dengan BJT dan memiliki kemampuan pensaklaran yang relative cepat.

Internal body diode : Mosfet memiliki diode internal atau yang biasa disebut body diode yang menghubungkan kaki source dengan drain [16].

Internal capacitor : Terdapat tiga kapasitor internal yaitu Cds, Cgs, Cgd [16].

2.11.2.Karakteristik Pensaklaran Mosfet [16]

Mosfet dapat bekerja pada frekuensi tinggi, namun memiliki dua keterbatasan yaitu tingginya capasitansi input pada kaki gate, dan terdapat waktu penundaan. Tanggapan respon frekuensi mosfet dipengaruhi oleh pengisian dan pelepasan dari kapasitor masukan. Pada saat pensaklaran mosfet akan terdapat daya yang terbuang, dibutuhkan rangkaian

totempole dan optocoupler untuk mengendalikan pensaklaran karena mikrokontroler tidak bisa mengendalikan secara langsung.

Gambar 2.28. Rangkaian driver mosfet [16].

Untuk merancang rangkaian driver mosfet bisa menggunakan transistor 2N2222A ( hfe 100-300 ) [21] dan 2N2907A. Dapat ditambahkan rangkaian transistor sebagai saklar setelah rangkaian optocoupler. Untuk menghitung resistor pull-up menggunakan persamaan 2.34.

2.12. Optocoupler 4n35

Optocoupler biasa digunakan untuk merancang rangkaian isolated yang dipisahkan menggunakan cahaya. Optocoupler 4n35 memiliki satu kanal keluaran.

Gambar 2.29. Karakteristik Ic dan If 4n35 [17].

ℎ =_{� .}� � =� − �_� .

Gambar 2.29 menunjukan karakteristik perbandingan Ic dan If, dari keterangan tersebut digunakan untuk merancang keluaran optocoupler. Nilai If digunakan untuk merancang besarnya resistor yang membatasi arus pada LED. Nilai Ic digunakan untuk merancang Rc atau Re pada transistor.

Gambar 2.30. Rangakaian optocoupler [17].

Mengacu pada gambar 2.30, untuk menghitung nilai tegangan output dapat menggunakan persamaan berikut :

2.13. Regulator 7805

Pengatur tegangan berfungsi untuk menyediakan tegangan keluaran dc tetap, yang tidak dipengaruhi oleh perubahan tegangan masukan. 7805 merupakan salah satu tipe regulator tetap yang memiliki tiga terminal yaitu Vin, ground, dan Vout. 7805 memiliki tegangan minimum masukan sebesar 7,3 V dan maksimal 20 V, keluaran 7805 secara teori sebesar 5 V namun typical aplikasinya sebesar 4,85 V [18]. Dalam aplikasinya rangkaian 7805 terdapat kapasitor input dan output yang bertujuan untuk menghilangkan tegangan ripple, agar keluaran lebih stabil.

Gambar 2.31. Rangkaian regulator 7805 [19].

� = �� − �_� . 8 � = � ∗ � .

Untuk menurunkan tegangan input 7805 diperlukan rangkaian eksternal menggunakan transistor dan diode zener. Besarnya arus zener dapat dihitung menggunakan persamaan 2.38 dan 2.39. BD139 bisa diguanakan sebagai transistor dengan Ic maksimal 1,4 A dan hfe 40 -240 [20].

Gambar 2.32. Rangkaian regulator [20].

� = �� − ��_� . �� = � − � .

29

BAB III

RANCANGAN PENELITIAN

3.1.

Model Sistem

Prinsip kerja dari charger 3 sel baterai Li-Po menggunakan flyback konverter sebagai berikut. Kontrol charger menggunakan metode balancing charger yang dikontrol dengan Pulse Width Modulation ( PWM ) oleh mikrokontroler atmega 328. Sehingga charger dapat mengkontrol pengisian tiap sel baterai. Charger juga dilengkapi dengan tampilan LCD 16x2 yang menampilkan kondisi baterai seperti tegangan tiap sel, dan tegangan baterai. Supply charger menggunakan flyback konverter, dengan input 220 Vac. Flyback konverter merupakan salah satu dari DC-DC converter yang menggunakan metode swithcing, dan output dapat lebih dari satu. Flyback konverter yang dibuat dirancang isolated, yaitu antara tegangan tinggi dan rendah tidak terhubung secara langsung, dan dipisahkan oleh trafo.

Terdapat dua bagian penting dalam pemodelan sistem ini, yaitu konverter flyback sebagai supply dan kontrol charger menggunakan atmega 328. Berikut ini adalah gambar diagram blok dari pemodelan sistem.

Gambar 3.1. Diagram blok sistem.

Dalam perancangan alat ini akan dibuat model seperti gambar 3.2, dengan output berada di sebelah kiri, dan input di sebelah kanan. Untuk bagian tampilannya menggunakan LCD 16x2, dilengkapi dengan tiga tombol.

Gambar 3.2. Rancangan 3 D bentuk alat.

3.2.

Perancangan Perangkat Keras

Dalam perancangan charger ini, dibutuhkan beberapa perangkat keras yaitu sebagai berikut:

1. Konverter flyback menggunakan UC3845. 2. TL431 sebagai umpan balik flyback.

3. Mikrokontroler atmega 328 sebagai pemproses data dan kontrol charging. 4. Sensor arus ACS712 dan sensor tegangan.

5. Driver mosfet dan optocoupler.

3.2.1.

Perancangan Flyback Konverter

Untuk merancang flyback konverter, terdapat beberapa langkah perancangan sebagai berikut :

1. Menentukan spesifikasi sistem.

2. Menentukan besarnya range input tegangan DC. 3. Menentukan besarnya maksimum dutycycle. 4. Menentukan besarnya induktansi primer trafo. 5. Menentukan rancangan UC3845.

6. Menentukan besarnya lilitan sekunder, untuk tiap output. 7. Menentukan diode penyearah, untuk setiap output. 8. Menentukan kapasitor output, dan LC filter (post filter). 9. Mendesain rangkaian RCD snubber.

Tahap ke-1. Menentukan spesifikasi sistem.

Beberapa nilai awal yang perlu ditentukan sebagai berikut :

Untuk flyback konverter yang memiliki output lebih dari satu, maka untuk tiap keluaran memiliki daya output masing - masing. Dari parameter yang sudah ditentukan, dapat diperoleh besarnya maksimum daya masukan dan keluaran dengan menggunakan persamaan 2.1 dan 2.2 sebagai berikut :

Tahap ke-2. Menentukan besarnya range input tegangan DC.

Kapasitor DC input telah ditentukan sebelumnya yaitu sebesar 150uF, sehingga perhitungan Vdc min dan Vdc max menggunakan persamaan 2.3 dan 2.4 sebagai berikut :

 Vline min = 100 V

 Vline max = 240 V

 F line = 50 Hz

 Efisiensi = 0.7

 Dch = 0.2

 Cap input = 150uF / 450 V

 Fs = 50 KHz

� = . � = ,

� � = √ ∗ 2₋ , ∗ − , ∗ � � = , �

, , = � , �

= � , � � �� � � � � = � , � � �� � � � � 8 �� = + + + +

�� = + + + + = �

� ma� = √ ∗ � � �� � ma� = √ ∗

Tahap ke-3. Menentukan besarnya maksimal dutycycle.

Flyback konverter yang dirancang merupakan tipe Discontinuous Conduction Mode (DCM). Untuk tipe DCM dalam datasheet disebutkan bahwa besarnya dutycycle akan mempengaruhi nilai Vdsnom , nilai dutycycle biasanya berkisar antara 0,45 – 0,5. Tipikal rating dutycycle sebesar 48 %, sehingga Dmax = 0,48. Besar nilai Dmax telah ditentukan sehingga perhitungan Vdsnom menggunakan persamaan 2.5 dan 2.6 sebagai berikut :

Vdsnom merupakan rating tegangan antara kaki drain dan source pada mosfet dalam kondisi normal. Nilai Vds tersebut dapat bertambah karena disebabkan oleh spike voltage dari induktansi bocor lilitan primer.

Tahap ke-4. Menentukan besarnya induktansi primer.

Perhitungan untuk menentukan besarnya induktansi primer menggunakan persamaan 2.7 sebagai berikut :

Krf merupakan ripple factor dalam kondisi beban penuh dan minimum input, untuk tipe DCM nilai Krf = 1. Dari perhitungan diatas telah didapatkan besar L primer. Langkah selanjutnya yaitu menghitung arus yang mengalir pada lilitan primer menggunakan persamaan 2.8, 2.9, 2.10, dan 2.11, arus Ids peak tersebut yang menjadi salah satu acuan untuk memilih spesifikasi mosfet yang akan dipakai.

�� = _{− , ∗ 8,}, �� = ,

� = , + ,8 8 � = ,

� = _{∗ , ∗}, ∗ , _∗2 � =

∆� = , ∗ ,_∗ ∆ = , �

Tahap ke-5. Menentukan rancangan UC3845

UC3845 memiliki kemampuan untuk menghasilkan frekuensi osilator sampai 250 Khz. Untuk mendapatkan frekuensi yang diinginkan, maka perlu dirancang sedemikian rupa nilai Rt dan Ct menggunakan persamaan 2.20 sebagai berikut :

Selain menentukan besar Rt dan Ct untuk mendapatkan frekuensi osilator yang diinginkan, UC3845 juga memiliki beberapa fitur yang harus dirancang salah satunya yaitu sensor arus menggunakan persamaan 2.21 dan 2.22, sebagai berikut :

� � = , 8 + ,8 = , � � = _{, ∗ ,},

= , �

� = √[ ∗ , 82_{+ (} ,8 ₎2_{] ∗} , 8 = , �

� = � = ,

� ∗ � � = _∗, � = , �

= � 2_{∗ �} = ,8 2_{∗ ,}

= , �

� = � � ��� � = ,8 � = ,

.

Gambar 3.3. Rangkaian UC3845.

Nilai Rs yang didapatkan yaitu 0,527 ohm dengan daya 1,897 watt, untuk mempermudah pemilihan komponen maka konfigurasi Rs dibuat menjadi paralel, sehingga didapatkan nilai R1 dan R2 sebagai berikut :

� = , � =_{� + �}� ∗ �

, = _{, + �}, ∗ �

, 8 + , � = , � , � = , 8

� = , 8_,

� =

� = , + ∗ ,8 = , � � = ,

, + ∗ ,8 = , �

�� = , = ℎ = , ∗ = , �

Sesuai keterangan dasar teori untuk mengurangi spike ( noise / gangguan ) dari trafo maka perlu ditambahkan LPF sederhana di input sensor arus ( pin 3 ), sebagai berikut :

Tahap ke-6. Menentukan besarnya lilitan untuk setiap output.

Besar nilai induktansi primer telah diketahui sebelumnya yaitu 572 uH, setelah dililit menghasilkan jumlah lilitan primer sebesar 62 lilitan. Jumlah lilitan primer tersebut digunakan untuk menghitung banyak lilitan sekunder menggunakan persamaan 2.12, sebagai berikut :

Lilitan sekunder pertama merupakan lilitan yang menjadi umpan balik, atau bisa disebut sebagai tegangan output yang akan distabilkan. Terdapat tiga lilitan sekunder lainnya, dapat dihitung sebagai berikut :

= . 2_{∗ .} = , � = , 2_∗

= , �

� = = _��� � = � ∗ ∗ � = , �

= ∗ [ + ,_{,8 8 ]} = ,

= + ,_{+ , ∗} = , = + ,

+ , ∗ = , = _{+ , ∗}+ ,

Lilitan sekunder 4 berfungsi sebagai supply mikrokontroler atmega 8 sebesar 12 volt, untuk lilitan sekunder 5 berfungsi sebagai supply UC3845 sebesar 15 volt.

Tahap ke-7. Menentukan diode penyearah untuk tiap output.

Tiap keluaran flyback akan disearahkan oleh diode, untuk menentukan rating diode yang dipakai, perlu diketahui maksimum tegangan balik dan arus maju pada diode menggunakan persamaan 2.14, 2.15, 2.16, dan 2.17, sebagai berikut :

= _{+ , ∗}+ , =

, , = , ∗ = ,

= ∗ , = ,

= ∗ , = , 8 , , (SF5A400HD)

� = + , ∗_{,8 8}+ , � = ,

� = , ∗ √ − , 8_{, 8 ∗} ,8 ∗ ,_{+ ,} = , �

� > , ∗ � � > , ∗ , � > ,

�� > , ∗ � �� > , ∗ ,

� > , �

(FR207)

� = + , ∗ _{,8 8}+ , � = ,

� = , ∗ √ − , 8_{, 8 ∗} ,8 ∗ ,_{+ ,} = , �

Tahap ke-8. Menentukan kapasitor output, dan LC filter.

Nilai kapasitor output ditentukan dengan tujuan untuk mendapatkan tegangan ripple pada output, semakin besar nilai kapasitornya maka tegangan ripple semakin kecil, perhitungan menggunakan persamaan 2.18 dan 2.19.

Penambahan LC filter dengan fc berkisar antara 1/10 – 1/5 frekuensi swithcing.

� > , ∗ � � > , ∗ , � > ,

�� > , ∗ � �� > , ∗ ,

� > , �

(FR201)

� = + , ∗ _{,8 8}+ , � = ,

� = , ∗ √ − , 8_{, 8 ∗} ,8 ∗ , 8_{+ ,} = , �

� > , ∗ � � > , ∗ , � > , �� > , ∗ � �� > , ∗ ,

� > , �

∆� = ,8 ∗ , 8 ∗ ∆� = , �

Tahap ke-9. Mendesain rangkaian RCD snubber.

Langkah pertama untuk merancang snubber yaitu menentukan Vsn, pada saat kondisi tegangan input minimum beban penuh. Vsn seharusnya lebih besar daripada Vro, menurut dasar teori besar Vsn yaitu 2 - 2,5 kali Vro. Perhitungan menggunakan persamaan 2.27, 2.28, 2.29, dan 2.30 sebagai berikut :

Gambar 3.4. Rangkaian snubber.

� =

�√�� � = �2_{∗ � ∗ �} 2 � = �2_{∗ ∗} 2 � = ,

� = , ∗ ,8 8 � = , �

= , ∗ ∗ , ∗ ,8 2_∗ , , − ,8 = ,8 �

� = _,82 � = ,

� = _{∗ ,} , _∗ � = �

� = √ ∗ ,_∗ � = ,8 �

� = , � = ∕∕ = � ∕∕ = �

Tahap ke-10. Mendesain loop compesantion

Perhitungan menggunakan persamaan 2.23, 2.24, 2.25, 2.26.

Gambar 3.5. Rangkaian compensator.

Sesuai dengan dasar teori UC3845 bahwa nilai Rint minimal 8800 ohm. Maka ditentukan nilai Rint sebesar 150 Kohm.

Menghitung nilai R1 :

� = ,8 + √ ,82+ ∗ 8, ∗ , ∗ ∗ ,8 2 � = , �

� �� = , + , � �� = , �

� = � ∗ ∗ � = , �

�� = � ∗ ∗ , � = , �

�� = � ∗ ∗ , �� = �

� _{= � ∗ ∗ ,} � = �

� = ₈, � =

3.2.2.

Perancangan Rangkaian Umpan Balik

TL431 merupakan sebuah diode yang memliki output variable, tegangannya mencapai 36 V. Konfigurasi TL431 yang digunakan yaitu shunt regulator.

Sesuai dengan persamaan 2.32 untuk mendapatkan nilai Vo = 6V, maka nilai Ra dapat dihitung sebagai berikut :

Gambar 3.6. Rangkaian TL431.

Nilai R3 bernilai 575 Ohm sesuai dengan persamaan 2.38 ( nilai standar terdekat 560 Ohm ) dengan arus Id sekitar 8mA. Nilai RB sebesar 3300 ohm, sehingga digunakan resistor 3K dan potensio 1Kohm, C9 dan R4 sesuai dengan dasar teori bernilai 4,7nf dan 1,2 K. TL431 termasuk kedalam bagian rangkaian umpan balik, yang menggunakan optocoupler 4n35 dikarenakan ground yang berbeda antara output flyback dengan UC3845. Sehingga umpan balik tidak terhubung secara langsung, melainkan dipisahkan oleh optocoupler

� = � , � = , �, � = � = [ +�_{� ] ∗ �}

�� = [� − �_� ] ∗ � �� = [ − ,_, ] ∗ �� =

3.2.3.

Minimum Sistem Atmega 328

Atmega 328 berfungsi sebagai pengontrol pengisian baterai dan pemprosesan data. Untuk menunjang kinerja dari atmega 328 maka dibutuhkan rangkaian minimum system. Atmega 328 membutuhkan minimum system yang terdiri dari rangkaian eksternal seperti osilator, dan reset. Rangkaian osilator menggunakan cristal sebesar 16 Mhz, sesuai dengan dasar teori kapasitor yang digunakan sebesar 22 pf pada pin XTAL1 dan XTAL2. Pemberian kapasitor bertujuan untuk memberikan kestabilan. Rangkaian osilator tersebut merupakan sumber clock eksternal untuk atmega 328. Berikut Gambar 3.7 menunjukan rangkaian osilator.

Gambar 3.7. Rangkaian osilator.

Gambar 3.8. Rangkaian reset.

Rangkaian reset pada gambar 3.8, berfungsi untuk mereset mikrokontroler. Rangkaian tersebut dilengkapi dengan resistor pull-up, yang bernilai sebesar 30K yang berfungsi untuk menjaga logika pin reset, dan kapasitor sebesar 47 uF untuk mendapatkan waktu sekitar satu detik, menggunakan persamaan 2.32.

Nilai kapasitor yang mendekati yaitu 47uF. Berikut keterangan pin yang digunakan :

1. Sensor : PC4 – PC0, ADC6, ADC7. 2. PWM : PB1, PB2, PB3.

3. XTAL : PB6, PB7.

4. LCD : PD2 – PD7, PB0. 5. Reset : PC6.

6. Tombol : PB4, PC5.

3.2.4.

Rangkaian LCD 16x2

Rangkaian LCD berfungsi sebagai penampil tegangan tiap sel, baterai dan arus pengisian dengan ketelitian 2 digit. LCD yang digunakan membutuhkan 7-pin pada mikrokontroler. Nilai potensio R4 menggunakan 10Kohm. Berikut gambar 3.7 rangkaian LCD.

Gambar 3.9. Rangkaian LCD 16x2

3.2.5.

Sensor Arus dan Sensor Tegangan

Sensor arus yang digunakan yaitu ACS712 5A. Sensor ini memiliki tengangan keluaran dengan jangkauan dari 3,5 V – 1,5 V. Tegangan keluaran tersebut akan menjadi input analog pada kaki pin ADC mikrokontroler. Sesuai dengan keterangan dasar teori ACS712 nilai kapasitor filter dan kapasitor bypass yaitu 1nF dan 0,1uF. Berikut gambar 3.8 rangkaian ACS712.

2.81 2.94 3.07

3.19 3.32 3.45

3.57 3.7 3.82

3.95 4.07 4.19

4.32 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2

O U T P U T INPUT

Karakteristik Sensor Tegangan

Gambar 3.11. Rangkaian sensor tegangan.

Untuk sensor tegangan menggunakan optocoupler 4n35 dikarenakan ground yang berbeda dengan mikrokontroler. Resistor yang terhubung seri dengan led dirancang untuk mendapatkan arus yang melewati led antara 9ma – 1ma. Dengan menggunakan persamaan 2.38 dan 2.39 maka didapat besar nilai maksimum dan minimum Rled pada sensor 1, 2, dan 3 dengan tegangan masukan 4,2 V.

Gambar 3.12. Karakteristik 4n35 sebagai sensor tegangan.

� �� = , = ℎ � m�n = , = , ℎ �� �� = , − , = ℎ �� � = , − , = ℎ

Karakteristik antara If dengan Ic yang kurang linear, sehingga perlu diuji melalui simulasi untuk mendapatkan karakteristik optocoupler sebagai sensor tegangan. Gambar 3.10 merupakan karakteristik yang di dapatkan melalui uji simulasi, dengan menggunakan Rled sebesar 360 ohm, dan Re sebesar 510 ohm dengan If sekitar 8ma, nilai tersebut digunakan sebagai acuan untuk keluaran sensor tegangan tiap sel menggunakan 4n35. Untuk tegangan baterai secara keseluruhan didapatkan dari hasil penjumlahan tegangan sel 1, 2, dan 3.

3.2.6.

Regulator & Tombol

(a) (b)

Gambar 3.13. (a) Regulator tegangan 5v (b) Tombol

Rangkaian pada gambar 3.10 merupakan rangkaian regulator yang dirancang menggunakan 7805, dengan tegangan masukan sekitar 9V. Keluaran dari regulator ini sebesar 5V dan digunakan untuk supply mikrokontroler. Terdapat rangkaian tambahan penurun tegangan menggunakan transistor BD139 dan diode zener, untuk mendapatkan tegangan 9v sebagai input 7805.

Dengan arus zener 8mA, maka dapat digunakan zener 10V 0,5 watt. Nilai dari kapasitor masukan dan keluaran mengacu pada dasar teori 7805, bisa digunakan 100uF untuk kapasitor input dan 10uf untuk kapasitor output sesuai dengan gambar 2.31. Rangkaian tombol menggunkaan pull-up resistor sebesar 20 Kohm, saat tombol ditekan maka PB4 dan PC5 berlogika low karena terhubung pada ground, sebaliknya saat tombol tidak ditekan

� = ℎ , � = �

� = = � � = − = � �� = − = 8 �

maka terdapat arus yang mengalir dari VCC melewati resistor pull-up menuju PB4 dan PC5 yang menyebabkan pin tersebut berlogika high.

3.2.7.

Driver Mosfet

Gambar 3.14. Rangkaian driver mosfet.

Mikrokontroler tidak bisa mengendalikan secara langsung mosfet, karena ground yang berbeda antara mikrokontroler dan baterai. Diperlukan rangkaian driver menggunakan optocoupler dan rangkaian totem pole. Perhitungan menggunakan persamaan 2.38, 2,37 :

Nilai R15 sebesar 20 ohm, mengacu pada datasheet mosfet IRF3205, dan datasheet UC3845. R15 merupakan resistor gate pada mosfet, biasanya bernilai kecil, karena gate mosfet sudah memiliki impedansi yang besar.

3.3.

Perancangan Perangkat Lunak

Perancangan perangkat lunak menggunakan bahasa pemrogaman C++ dengan menggunakan aplikasi Codevision AVR. Aplikasi tersebut di desain untuk memprogram mikrokontroler AVR. Dengan menggunakan aplikasi tersebut memudahkan untuk mengatur fitur – fitur yang terdapat pada mikrokontroler Atmega.

Terdapat beberapa diagram alir dalam merancang perangkat lunak :

1. Program utama.

2. Program cek tegangan baterai.

� = − ,₈ = ℎ � �� � � � ℎ � = ₈− = ℎ � �� � � � ℎ

3. Program menentukan arus pengisian awal. 4. Program proses pengisian.

3.3.1.

Diagram Alir Program Utama

Diagram alir program utama ditunjukan pada gambar 3.15. Program utama terdiri dari beberapa sub program. Diagram ini berisikan langkah atau alir proses dari sistem pengisian baterai. Pengguna nantinya diharuskan menekan tombol 1 untuk melanjutkan ke proses selanjutnya, pada proses pengisian akan dilakukan secara otomatis.

Gambar 3.15. Diagram alir program utama.

Sistem diawali dengan tampilan LCD awal, lalu akan masuk pada sub program cek tegangan. Setelah nilai tegangan didapatkan, LCD akan menampilkan besar tengangan dan jumlah sel, dan tombol 1 ditekan oleh user maka sistem akan menjalankan sub program menentukan arus awal. Setelah menentukan arus, tombol 1 ditekan akan menuju proses berikutnya yaitu pengisian baterai. Pada proses ini sistem akan otomatis mengisi baterai, sistem akan mengatur besarnya nilai PWM untuk pengisian. Tampilan LCD akan menampilkan tegangan baterai, tiap sel, dan arus pengisian dengan ketelitian dua digit angka. Saat tegangan baterai telah mencapai 12,6 V maka pengisian akan dihentikan, LCD akan menampilkan bahwa pengisian telah selesai.

3.3.2.

Diagram Alir Sub Program Cek Tegangan Baterai

Gambar 3.16. Diagram alir program cek tegangan.

Diagram alir pada gambar 3.16 menampilkan proses cek tegangan baterai. Saat baterai telah dihubungkan ke konektor, sistem akan membaca tegangan baterai tersebut melalui sensor 4. Jika nilai tegangan baterai lebih besar sama dengan 9V, proses akan dilanjutkan membaca tegangan tiap sel. Kontroler didesain untuk melakukan pengisian baterai, dengan tegangan minimal baterai 9 V dan tegangan minimal tiap sel 3 V. Sesuai dengan dasar teori yaitu batas aman melakukan pengisian untuk tiap selnya. Jika kondisi tersebut tidak terpenuhi maka kontroler akan menampilkan bahwa status baterai tidak baik dalam melakukan pengisian, dan proses akan diulang ke awal lagi. Jika kondisi tersebut terpenuhi kontroler akan menetapkan nilai PWM 1, 2, dan 3 sebesar 0 untuk memastikan bahwa pengisian baterai belum dimulai.

3.3.3.

Diagram Alir Sub Program Menentukan Arus Awal

Gambar 3.17. Diagram alir menentukan arus awal.

Diagram alir pada gambar 3.17 menampilkan proses untuk menentukan arus awal. Sebelum proses pengisian dimulai, user harus menentukan arus awal untuk pengisian. Besar arus tersebut biasanya terdapat pada baterai atau yang biasa disebut kapasitas baterai. Untuk melakukan pengisian baterai disarankan arus pengisian sebsar 1C. Untuk menentukan nilai arus awal user dapat menekan tombol 2 untuk mengubah nilai. Nilai tersebut akan disimpan pada sebuah variable, yang nantinya akan diproses oleh kontroler.

Kontroler akan menentukan besarnya PWM yang sesuai dengan nilai yang telah di masukan oleh user tersebut. Dengan sumber yang tetap yaitu flyback konverter maka nilai PWM berbanding lurus dengan nilai arusnya. Besarnya nilai PWM pada tahap ini akan menjadi acuan untuk menentukan nilai PWM seterusnya pada kondisi baterai yang berbeda.

3.3.4.

Diagram Alir Sub Program Proses Pengisian

Gambar 3.18. Diagram alir proses pengisian baterai.

Diagram alir pada gambar 3.18 menampilkan proses pengisian baterai. Setelah PWM aktif maka baterai mulai terisi. Tegangan baterai akan mulai meningkat, sehingga kontroler harus berulang kali mengecek tegangan tiap sel. Untuk mengukur tegangan tiap sel, maka PWM harus dimatikan. Pada proses ini menggunakan fungsi interrupt overflow pada saat nilai variable interrupt telah melebihi batas, interrupt aktif dan kontroler akan membaca tegangan tiap sel yang hasilnya disimpan pada sebuah variable, sehingga kontroler akan selalu memperbaharui nilai tegangan sampai baterai telah penuh. Waktu tunda dirancang selama dua detik, menggunakan timer 0. Nilai register TCNT0 dapat dihitung menggunakan persamaan 2.34 :

Waktu timer 0 sebesar 10ms, sehingga variable interrupt overflow harus mencacah sebanyak 200 kali untuk mendapatkan waktu tunda selama dua detik. Nilai tegangan tersebut

digunakan untuk menentukan besarnya PWM. Terdapat tiga batas tegangan, yaitu 3,4V- 3,9V- 4,1V-4,2V, pada saat tegangan tiap sel mencapai 4.1 V, PWM akan semakin kecil.

Tabel 3.1. Rancangan pengisian baterai.

Vout ADC Kondisi Baterai PWM

3.0 614 0%

100% 3.1 635

3.2 655

3.3 676

3.4 696 33%

100% 3.5 717

3.6 737

3.7 758 3.8 778

3.9 799 75%

90%

4.0 819

4.1 840 92% 90%

4.2 860 100% 0%

Nilai batas tegangan dapat dilihat pada tabel 3.1, nilai batas tegangan tersebut berbanding lurus dengan kondisi baterai. Semakin penuh kondisi baterai, PWM akan semakin kecil. Untuk perhitungan ADC menggunakan persamaan 2.35, yang hasilnya ditampilkan pada tabel 3.1. Kontroler akan otomatis memutuskan pengisian, pada saat tegangan baterai lebih besar sama dengan 12.6 V atau pada tegangan 4,2 V / sel. Kontroler akan menampilkan bahwa pengisian baterai telah selesai.

51

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini berisi pembahasan alat yang telah dibuat, yang meliputi hasil pengamatan percobaan. Hasil pengamatan yang akan dibahas meliputi, pengujian sensor tegangan, flyback konverter, sensor arus, dan keseluruhan sistem. Hasil pengujian berupa data-data yang diperoleh untuk memperlihatkan bahwa hardware atau software yang telah dirancang telah berjalan baik atau tidak. Berdasarkan data-data tersebut maka dapat dilakukan analisis terhadap fungsi kerja dari alat tersebut yang kemudian dapat digunakan untuk menarik kesimpulan akhir.

4.1. Bentuk Fisik Hardware

Pada bagian ini, dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian komponen dan case. Bentuk fisik dari case dirancang untuk melindungi komponen – komponen yang ada di dalamnya sehingga dapat tersusun rapi.

Gambar 4.1. Kontrol charger.

Keterangan: 1. LCD 16x2.

2. Tombol OK. 3. Tombol UP. 4. Tombol reset.

5. Masukan flyback konverter. 6. Keluaran kontrol charger.

Gambar 4.2. Flyback konverter.

Keterangan (gambar 4.2) : 1. Masukan 220 AC. 2. Trafo.

3. Keluaran ke-3 konverter. 4. Keluaran ke-2 konverter. 5. Keluaran ke-1 konverter.

Keterangan (gambar 4.3) : 1. Sensor Arus. 2. LCD.

3. Mikrokontroler atmega 328. 4. Sensor tegangan.

Gambar 4.3. Komponen penyusun alat.

4.2. Cara Kerja Alat dan Penggunaan Alat

4.2.1. Cara Kerja Alat

Sistem terdiri dari dua bagian utama, yaitu flyback konverter dan kontrol charger. Flyback konverter digunakan sebagai sumber energi yang digunakan untuk pengisian baterai. Kontrol charger berfungsi untuk mengatur proses pengisian, dan juga mengatur tampilan LCD yang memudahkan pengguna.

Cara kerja alat :

1. Flyback konverter akan mengkonversi tengangan tinggi menjadi tegangan 10v, yang digunakan untuk sumber tegangan mikrokontroler.

2. Mikrokontroler akan mengkontrol pengisian baterai melalui driver mosfet menggunakan PWM.

3. Sensor arus dan sensor tegangan menghasilkan parameter yang dibutuhkan mikrokontroler dalam mengkontrol pengisian baterai.

4. Mikrokontroler akan menampilkan kondisi baterai melalui tampilan LCD.

4.2.2. Cara Penggunaan Alat

Cara kerja alat :

1. Masukan keluaran flyback konverter10V pada masukan pada masukan mikrokontroler. 2. Hubungkan tiga keluaran 5V flyback yang masing – masing memiliki ground berbeda

ke input kontrol charger.

3. Setelah kontrol charger menyala, hubungkan socket balance baterai ke keluaran kontrol charger. Kontroler akan otomatis mengecek tegangan tiap sel baterai dan menampilkannya pada LCD.

4. Tekan tombol “OK”, untuk menuju menu selanjutnya. Tekan tombol “UP” untuk menseting besar kapasitas baterai.

5. Tekan tombol “OK” sekali lagi untuk memulai charging.

4.3. Perubahan Perancangan Flyback Konverter

Pada perancangan flyback konverter terdapat beberapa perubahan yaitu penggunaan IC kontroler, yang pada sebelumnya menggunakan UC3845. Salah satu faktor yang menyebabkan perubahan IC yang dipakai yaitu, pada IC UC3845 kurang bagus dalam bagian proteksi beban penuh maupun arus, sehingga menyebabkan mosfet yang di pakai rusak. Perlindungan terhadap mosfet masih kurang dibandingkan menggunakan IC STR6252. STR6252 sudah terdapat mosfet pada bagian dalam IC yang memiliki parameter Vds 650 volt, dan Ipeak 3A. IC tersebut biasa digunakan untuk mengkontrol flyback switching regulator ( universal input – 15W). IC tersebut memiliki beberapa proteksi yaitu OCP (overcurrent protection), OLP (overload protection), OVP (overvoltage protection). Ketiga proteksi tersebut sangat penting untuk menjaga kondisi IC dan komponen lainnya rusak. Dari hasil pengamatan saat keluaran flyback terdapat beban yang lebih maka vcc IC akan naik melewati kondisi kerja ( 12,5 – 14,5 ), saat kondisi vcc sudah melewati batas kerja, maka IC sudah dalam kondisi overvoltage, STR6252 akan otomatis berhenti bekerja, sehingga tidak menyebabkan IC terbakar dan komponen lainnya seperti diode rusak. Dalam hal pengoperasian IC STR6252 lebih mudah dibandingkan UC3845, karena lebih sedikit membutuhkan komponen eksternal. Dengan melakukan perubahan IC tersebut maka perancangan untuk rangkaian flyback konverter berubah, rancangan flyback konverter yang dibuat dapat dilihat pada gambar 4.2.

Tabel 4.0 Hasil perhitungan perubahan flyback konverter dengan keluaran 12V, 5V,5V.

Parameter Hasil Perhitungan V line min 100 V V line max 240 V

F line 50 Hz

Pout 12,5 W

Pin 15,62 W

Efficiency 0,8 Vdc min 111,46 V Vdc max 339,411 V

Vro 91,19 V

Vds nom 430,6 V L primary 1201,62 uH Ids peak 0,623 A Ids rms 0,241 A Vout ripple 76,322 mV

Vsn 205,19 V

Psn 1,54 W

Rsn 15,54 Kohm

Csn 16,4 nF

Vds_max 550,36 V

Tabel 4.0 merupakan hasil perubahan perhitungan rancangan flyback konverter dengan keluaran 12V,10V,5V,5V, keluaran 5V pada flyback konverter diharapkan mampu menghasilkan arus satu ampere pada beban lima ohm, namun tegangan VCC ICSTR6252 terus meningkat sampai melebihi batas 36 V sehingga IC tersebut dalam kondisi tidak bekerja. Hasil pengujian tersebut dapat dilihat pada tabel 4.2, untuk detail perhitungan perancangan dapat dilihat pada halaman lampiran.

Gambar 4.4 Rangkaian flyback konverter dengan keluaran 12V,5V,5V.

Pada gambar 4.4 bagian yang dilingkari merupakan keluaran 5V flyback konverter, rangkaian tersebut menggunakan IC STR6252. Pada rangkaian tersebut keluaran 5V langsung terhubung dengan rangkaian TL431 yang menjadi umpan balik pada IC STR6252.

Tabel 4.1. Hasil perhitungan perubahan Flyback konverter (keluaran 10V,12V,5V). Parameter Hasil Perhitungan

V line min 100 V V line max 240 V

F line 50 Hz

Pout 10 W

Pin 12,5 W

Efficiency 0,8 Vdc min 118,06 V Vdc max 339,411 V L primary 1685,21 uH Ids peak 0,4705 A Ids rms 0,1822 A Vout ripple 305,29 mV

Vsn 217,34 V

Rsn 30,5 Kohm

Tabel 4.2 merupakan hasil perubahan perhitungan rancangan flyback konverter, untuk detail perhitungan dan datasheet STR6252 dapat di lihat pada halaman lampiran. Flyback konverter yang diharapkan memiliki lima keluaran (12V, 10V, 5V, 5V, 5V), namun yang berhasil dibuat yaitu dua keluaran 12V dan 10 V. Hasil tersebut mengubah diagram blok sistem seperti ditunjukan pada gambar 4.4.

Gambar 4.5. Perubahan Diagram blok sistem.

Gambar 4.6. Rangkaian Flyback konverter menggunakan ICSTR6252.

Gambar 4.5 merupakan perubahan diagram blok sistem, dikarenakan jumlah keluaran flyback konverter yang berkurang. Untuk sumber tegangan 5 V yang digunakan mengisi baterai diambil dari sumber luar, sehingga flyback konverter yang dibuat digunakan untuk men-supply mikrokontroler 328 dan ICSTR6252. Perubahan juga terjadi pada rangkaian IC kontrol flyback

konverter yang sebelumnya menggunakan ICUC3845. Gambar 4.6 merupakan rangkaian

flyback konverter menggunakan ICSTR6252, pada rangkaian tersebut mosfet sudah terdapat

dalam satu kemasan ICSTR6252. Pada gambar 4.6 keluaran 10 V langsung terhubung dengan rangkaian TL431 yang menjadi umpan balik IC STR6252.

4.4. Perubahan Diagram Alir Cek Tegangan

Gambar 4.7. Perubahan diagram alir cek tegangan.

Gambar 4.7 merupakan perubahan dilakukan pada pembacaan awal sensor tegangan, saat kontroler dalam kondisi menyala pertama kali, sensor tegangan akan mendeteksi apakah sudah ada baterai pada keluaran charger, sampai pengguna menekan tombol OK. Sensor tegangan hanya mendeteksi tegangan tiap sel saja, tidak mendeteksi tegangan baterai total. Saat pengguna menekan tombol OK maka kontroler PWM1,2,3 akan bernilai nol, sebelum proses pengisian dimulai.

4.5. Pengujian Flyback Konverter

Pada tahap ini merupakan pengujian flyback konverter, dari hasil perubahan perancangan pada tabel 4.0 menunjukan bahwa flyback konverter yang dibuat memiliki daya

yang lebih rendah dibandingkan dengan rancangan sebelumnya. Flyback konverter diharapkan memiliki lima keluaran yaitu, 12V, 5V, 5V, 5V, dan 10V, namun terdapat error dalam pembuatan sehingga yang dihasilkan hanya dua keluaran yaitu 12 V (sebagai Vcc IC STR), dan 10 V (sebagai supply mikro).

Tabel 4.2. Hasil Pengamatan Error 1 pada Flyback konverter.

Beban (Ohm)

Flyback konverter Keluaran

5V (V)

VCC IC STR (V)

1000 5 12

570 5 19

330 5 25

220 5 30

130 5 34

5 0 0

Gambar 4.8 Pengujian keluaran 5V dengan beban 5 Ohm.

Tabel 4.2 menujukan hasil pengukuran pada VCC IC STR6252, menggunakan hasil perhitungan pada tabel 4.0. Pengujian dilakukan pada keluaran 5V yang terhubung dengan rangkaian umpan balik ICSTR6252 dengan beberapa variasi beban, beban pertama sebesar 1000 Ohm menghasilkan keluaran 5V, dan nilai VCC ICSTR6252 sebesar 12 V, pengujian dilanjutan dengan mengubah beban semakin besar, saat pengujian beban 130 Ohm didapatkan tegangan keluaran sebesar 5V, dan nilai VCC ICSTR6252 sebesar 34 V, pengujian dilanjutkan dengan

menggunakan beban 5 Ohm, dengan harapan hasilnya bisa mendapatkan arus sebesar satu ampere, hasil yang didapatkan dari pengujian beban 5 Ohm yaitu keluarannya sebesar 0 V, dan nilai VCC ICSTR6252 sebesar 0V (flyback konverter dalam kondisi tidak bekerja). Pada gambar 4.8 menunjukan flyback konverter berhenti bekerja saat pengujian beban 5 Ohm dikarenakan nilai VCC IC yang sudah melebihi 36 V.

Tabel 4.3. Hasil Pengamatan Error 2 pada Flyback konverter.

Beban (Ohm)

Flyback konverter Keluaran

5V (V)

VCC IC STR

(V) Vfb

6800 5,5 13,5 0,12

1000 5,5 13,5 0,12

570 5,5 13,5 0,12

100 5,5 13,5 0,12

60 4,266 13,5 0,17

30 2,144 13,5 0,16

20 1,422 13,5 0,18

Tabel 4.3 menunjukan hasil pengamatan error pada kondisi terdapat tiga output sekunder (12V,10V,5V). Pengujian dilakukan pada output 5V, saat diberi beban besar tegangannya akan turun, berbeda dengan pengujian output 10 V pada tabel 4.4. Gambar 4.9 menunjukan pengujian keluaran 5V dengan beban 20 Ohm, tegangan 5 V tersebut turun sampai 1,422 Volt. Sehingga penambahan beban di output 5V, kurang direspon dengan baik oleh IC STR6252, yang terlihat dari perbedaan Vfb, pada pengujian keluaran 5V dan keluaran 10V pada tabel 4.5.

No Beban

(Ohm) Hasil pengamatan osiloskop

Frekuensi output

(hz)

7 14 7353

LAMPIRAN VI

PERHITUNGAN PERUBAHAN FLYBACK KONVERTER

Menentukan besarnya range input tegangan DC,

Menentukan besarnya maksimal dutycycle,

Menentukan besarnya induktansi primer,

� � = √ ∗ 2₋ ∗ − ,

∗

� � = , �

� ma� = √ ∗ � � �� � ma� = √ ∗

� ��� = , �

�� = _{− , ∗ 8,},

�� = ,

� = , + ,

� = ,

� = _∗8, ∗ ,_{∗ ∗} 2

� = ,

∆� = ₈, ∗ ,_∗ ∆ = , �

Menentukan besarnya lilitan untuk setiap output,

Menentukan kapasitor output, dan LC filter, � = 8, ∗ ,

= , �

� � = , + . = , � � = √[ ∗ , 2_{+ (} , ₎2_{] ∗} , 8

= , �

= ∗ [ + ,_{,8 8 ]} =

= + ,_{+ , ∗} =

= + ,_{+ , ∗} =

∆� = ,8 ∗ , 8_∗ ∆� = , �

� =

�√�� � = �2_{∗ � ∗ �} 2

� = �2_{∗ ∗} 2

Menentukan rangkaian snubber,

� = , ∗ ,

� = , �

= , ∗ ∗ ∗ . 2_∗ ,

, − , = , �

� = , + √ , 2+ ∗ ∗ , ∗ ∗ , 2

� = , �

� �� = , + ,

LAMPIRAN VI

MANUAL BOOK OPERATION

+,-

Tanda tersebut merupakan masukan flyback konverter (5V) pertama.

+,-

Tanda tersebut merupakan masukan flyback konverter (5V) kedua.

+,-

Tanda tersebut merupakan masukan flyback konverter (5V) ketiga.

+,-

Tanda tersebut merupakan masukan flyback konverter (10 V) untuk supply mikrokontroler.

1

socket masukan sel 1 baterai.

2

socket masukan sel 2 baterai.

3

socket masukan sel 3 baterai.

Gambar diatas merupakan urutan tampilan awal sampai akhir menu pada LCD 16x2.  Menunjukan nilai tegangan sel pertama pada baterai.

 Menunjukan nilai tegangan sel kedua pada baterai.  Menunjukan nilai tegangan sel ketiga pada baterai.  Menunjukan nilai tegangan total baterai.

 Menunjukan kapasitas baterai dalam Ampere.  Menunjukan waktu pengisian.

OK OK