BAB II DASAR TEORI 2.1 Photovoltaik ( Sel Surya) Sel surya merupakan salah satu produk teknologi fotovoltaik yang dikembangkan pada bahan semikonduktor (silikon multikristal, monokristal dan amorf) yang mampu menyerang gelombang elektromagnetik dan konversi energi cahaya (photon) menjadi energi listrik secara langsung. Prinsip dasar sel surya merupakan kebalikan dari LED (Light Emmiting Diode) yang mengubah energi listrik menjadi cahaya atau boleh dikatakan identik dengan sebuah dioda cahaya (photodioda) sambung p-n (p-n junction) dengan cahaya energi. Ketika energi foton yang datang lebih besar dari celah energi ini maka foton akan diserap oleh semikonduktor untuk membentuk pasangan electron-hole sebagai pembawa muatan (carrier). Selanjutnya elektron dan hole bergerak berturut-berturut kearah lapisan n dan p sehingga timbul beda potensial dan photocurrent (arus yang dihasilkan oleh cahaya) ketika kedua muatan melintasi daerah sambung p-n.

elektron

Pita konduksi Ee

foton Celah energi

hole

Pita valensi EV

Gambar 2.1 Skema terjadinya photocurrent pada sel surya

2.2 Karakteristik Photovoltaik

Gambar 2.2 kurva karakteristik sel surya

Gambar diatas menunjukan kurva (IV) keluaran yang didapat dari photovoltaic.Photovoltaik devais menunjukan harga arus maksismum ketika tidak dibebani secara langsung. Gambar dibawah ini menunjukan pengaruh intensistas cahaya matahari yang berbeda beda terhadap keluaran tegangan dan arus.

Gambar 2.3 Karakterisrik I-V photovoltaik pada Berbagai Tingkat Intensitas

Daya keluaran yang diperoleh dari photovoltaic berbanding lurus dengan intensistas cahaya matahari.Tegangan dan arus merupakan parameter penting yang mempengaruhi karakteristik photovoltaic. Perubahan temperatur yang terjadi pada

photovoltaik, tidak semua dikonversikan menjadi energi listrik, hal ini dikarenakan pada photovoltaik akan menimbulkan panas, maka tegangan keluaran mengecil, sehingga tegangan keluaran akan semakin besar pada penurunan temperatur seperti diperlihatkan pada gambar 2.5.

Gambar 2.4 Karakterisrik I-V Pengaruh Temperatur

Daya keluaran pada PV sangat bergantung pada intensitas cahaya matahari. Gambar diatas memperjelas hubungan antara intensitas cahaya matahari dengan daya keluaran. Oleh karena itu Karakteristik arus dan tegangan PV tidak linier, sehingga daya keluaran maksimumnya bergatung pada tegangan dan arus yang didapat dar PV Daerah kerja photovoltaik terbagi menjadi dua daerah wilayah kerja yaitu daerah tegangan dan arus.Pada daerah kerja arus impedansi dalamnya tinggi Sedangkan pada daerah sumber tegangan, nilai impedansi dalamnya rendah . Pada daerah arus, arus keluaran mendekati konstan pada perubahan nilai tegangan dan pada daerah tegangan, tegangan berubah pada range perubahan arus yang besar. Daerah arus dan tegangan pada photovoltaik dengan luas tertentu, nilainya dapat bermacam-macam terhadap besar intensitas matahari dan temperatur. Berdasarkan teori transfer daya maksimum, daya yang disalurkan ke beban akan maksimum bila impedansi dalam photovoltaik sama besar dengan impedansi beban (matching). Untuk dapat selalu beroperasi pada titik daya maksimum, suatu kontroler digunakan untuk mengatur tegangan keluaran konverter sehingga titik kerja photovoltaik dapat dijaga pada titk daya maksimumnya.

2.3 DC Chopper Konverter DC ke DC umumnya disebut chopper , yang merupakan suatu konverter untuk merubah energy listrik dari system tegangan dc yang tetap ke system tegangan dc yang dapat berubah-ubah.Hal ini dilakukan dengan cara memberikan saklar elektronik antara sumber tegangan dc yang tetap dengan beban.Ada tiga dasar tipe rangkaian dc chopper yang umumnya dipakai yaitu buck converter,bust converter dan buck-bust converter.Konverter yang konvensial biasanya menggunakan thyristor,yaitu dengan cara mengaktifkan pulsa fed pada gate thyristor tersebut.Untuk mendapatkan tegangan keluaran rata-rata yang dapat dirubah-rubah terdapat tiga mode pengaturan tegangan pada dc chopper, yaitu : 1. Waktu ON divariasikan , sedang periode tetap,disebut dengan Pengaturan Lebar Pulsa 2. 3. Waktu ON tetap,sedang divariasikan,disebut dengan pengaturan frekuensi Kombinasi dari pengaturan lebar pulsa dan frekuensi.

Gambar 2.5 Gelombang tegangan keluaran pada chopper

2.3.1 Buck-Boost Converter Untuk mendapatkan tegangan yang lebih besar atau lebih kecil dari tegangan sumber maka digunakan dc buck boost converter.Polaritas tegangan keluaranya berlawanan dengan polaritas teganagn sumber.Konverter jenis ini

dinamakan converter flyback regulator.Susunan rangkaianya ditunjukan pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.6 buck-boost regulator Prinsip kerja rangkaian dapat dibagi menjadi dua mode.Selama mode 1,switch di On kan dan dioda D dibisa mundur.Arus input,akan naik melalui induktor L dan switch.Selama mode 2 , swicth di off kan , sehingga arus mengalir melalui induktor L,akan mengalir melalui L-C-D dan beban.Energi yang disimpan dalam induktor L akan di transfer ke beban dan arus induktor akan turun samapai switch kembali on. 2.3.2 Prinsip Kerja Buck-Boost Regulator. Ada 2 prisnip kerja dasar buck-boost regulator : y y Ketika dalam posisi on,switch dinyalakan,maka sumber tegangan mensuplai arus ke induktor dan the kapasitor mensuplai arus ke beban (output load). Ketika dalam posis off, switch pada posisi terbuka dan (energy yang telah tersimpan di induktor) dikeluarka untuk mensuplai arus current ke beban melalui diode.

Gambar 2.7 sakalar pada posisi on

Gambar 2.8 saklar pada posisi off

Gambar 2.8 bentuk gelombang arus induktor

2.4

Mikrokontroler ATMEGA 16

2.4.1 Arsitektur ATMega16 Dari gambar dibawah dapat dilihat bahwaATMega16 memiliki bagian sebagai berikut Saluran I/O sebanyak 32 buah,yaitu port A, Port B, Port C, dan Port D ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 chanel Tiga buah timer/counter dengan kemampuan perbandingan. CPU yang terdiri dari 32 buah register. 131 instruksi andal yang umumnya hanya membutuhkan 1 siklus clock. Watchdog Timer dengan osilator internal Dua buah timer/counter 8 bit Satu buah timer/counter 16 bit Tegangan operasi 2.7V- 5.5V pada ATMega16 Internal SRAM sebesar 1KB Memori flash sebesar 16 KB dengan kemampuan Read While Write Unit interupsi internal dan eksternal. Port antar muka SPI EEPROM sebesar 512 byete yang dapat deprogram saat operasi Antarmuka komparator analog

4 chanel PWM 3x8 general purpose register Hampir mencapai 16 MIPS pada kristal 16 Mhz Port USART programble untuk komunikasi serial.

Gambar 2.9 Blok Diagram ATMEGA16

2.4.2 Konfigurasi Pin ATMega16 Gambar dibawah merupakan susunan kaki standar 40 pin DIP mikrokontroler AVR ATMega16. VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital tentunya butuh sumber catudaya yang umumnya sebesar 5 V, itulah sebabnya di PCB kit mikrokontroler selalu ada IC regulator 7805. GND sebagai pin Ground Port A (PA0PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat deprogram sebagai pin masukan ADC. Port B (PB0PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu timer/counter, komparator analog, dan SPI. Port C (PC0PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog, dan timer Osilator. Port D (PD0PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial. Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu mikrokontroler membutuhkan sumber clock agar dapat mengeksekusi intruksi yang ada dimemory. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroler tersebut. AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC AREF sebagai masukan tegangan referensi.

Gambar 2.10 Konfigurasi Pin ATMega16

2.4.3 Konsep ADC ( Analog to Digital Converter) Keunggulan mikrokontroler AVR ATMEGA16 dibandingkan pendahulunya adalah : Sudah terintegrasinya ADC 10 bit sebanyak 8 saluran 13-260 uS conversion time Mencapai 15kSPs pada resolusi maksimum Optional left adjustment untuk ADC result readout Interupsi pada ADC Conversion Complete Sleep Mode noise canceler Input ADC pada mikrokontroler dihubungkan kesebuah 8 chanel Analog multiplexer yang digunakan untuk single ended input channels. Jika sinyal input dihubungkan ke masukan ADC dan satu jalur lagi terhubung ke Ground, maka disebut single ended input. Jika input ADC terhubung kedua buah input ADC, disebut sebagai differential input, yang dapat dikombinasikan sebanyak 16 kombinasi. Empat kombinasi terpenting antara lain kombinasi input diferensial ( ADC0 dengan ADC1 dan ADC2 dengan ADC3) dengan penguatan yang dapat diatur. ADC0 dan ADC2

sebagai tegangan input negatif, sedangkan ADC1 dan ADC3 sebagai tegangan input positif. Besar penguatan yang dapat dibuat dibuat yaitu 20dB (10x) atau 46dB (200x) pada tegangan input diferensial sebelum proses konversi ADC. Secar umum, proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock, tegangan referensi, format output data, dan mode pembacaan. Register yang perlu diset nilainya adalah ADMUX ( ADC Multiplexer Selection Register), ADCSRA (ADC Control and Status Register), dan SFIOR (Special Function IO Register). ADMUX merupakan register 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan referensi ADC, format data output, dan saluran ADC yang digunakan. Untuk memilih channel ADC mana yang akan digunakan (single ended atau diferensial), atur nilai MUX4 :0, misalnya channel ADC0 sebagai input ADC, maka MUX4 :0 diberi nilai 00000B. Tegangan referensi ADC dapat dipilih antara lain pada pin AREF, pin AVCC, atau menggunakan tegangan referensi internal sebesar 2.56V. Agar fitur ADC mikrokontroler dapat digunakan, maka ADEN (ADC Enable, dalam I/O register ADCSRA) harus diberi nilai 1. Setelah konversi selesai (ADIF high), hasil konversi dapat diperoleh pada register hasil (ADCL, ADCH). Untuk konversi single ended, hasilnya ialah :ADC ! Vin.1024 Vref

Dimana Vin ialah tegangan pada input yang dipilih dan Vref merupakan tegangan referensi. Jika hasil ADC=000H, maka menunjukan tegangan input sebesar 0V, jika hasil ADC=3FFH menunjukan tegangan input sebesar tegangan referensi dikurangi 1 LSB.

Sebagai contoh, jika diberikan Vin sebesar 0.2 V dengan Vref 5V, maka hasil konversi ADC adalah 41. jika menggunakan differensial channel, hasilnya adalah 40.46, yang bila digenapkan bisa sekitar 39,40,41 karena ketelitian ADC ATMEGA16 sebesar +/- 2 LSB. Jika yang digunakan saluran differensial, maka hasilnya ialah :ADC (Vpositif Vnegatif ).GAIN .512 Vref

Dimana Vpositif ialah tegangan pada input pin positif, Vnegatif ialah tegangan input pada pin negatif, GAIN ialah factor penguatan, dan Vref referensi yang digunakan. Kita dapat mengkonfigurasi fasilitas ADC pada CodeVision AVR sebagai berikut : ialah tegangan

Dengan mencentang ADC Enable akan mengaktifkan on-chip ADC. Dengan mencentang Use 8 bits, maka hanya 8 bit terpenting yang digunakan. Hasil konversi 10 bit dapat dibaca pada ADC Data Register ADCH dan ADCL. Misalnya, jika hasil konversi ADC bernilai 54 (36H), dalam 10 bit biner ditulis dengan 00 0011 0110B.

Gambar 2.11 Setting ADC

Jika dalam format right adjusted (ADLAR=0), maka I/O register ADCH berisi 00000000B (00H) dan I/O register ADCL berisi 0011 0110B (36H). Inisialisasi ADC Ada bebrapa langkah yang harus dilakukan untuk inisialisasi ADC, yaitu penentuan clock, tegangan referensi, format data output dan mode pembacaan. Inisialisasi ini dilakukan pada register-register beikut : ADMUX Register ini mengatur tegangan referensi yang digunakan ADC, format data output dan saluran ADC. Tabel 2.1 Register ADMUX REFS 1 REFS 0 ADLA R MUX 4 MUX 3 MUX 2 MUX 1 MUX 0

a. REF0-1 adalah bit-bit pengatur mode tegangan referensi ADC. Tabel 2.1 Pemilihan Mode Tegangan Referensi REFS1 0 0 1 1 REFS0 0 1 0 1 Mode Tegangan Referensi Pin Vref Vcc Tidak digunakan Vref internal = 2.56 V

b. ADLAR adalah bit keluaran ADC Jika ADC telah selesai konversi maka data ADC akan diletakkan di 2 register, yaitu ADCH dan ADCL dengan format sesuai ADLAR. Tabel 2.2 Format Data ADC dengan ADLAR=0

-

-

-

-

-

-

ADC 9

ADC 8 ADC 0 ADC 2 -

ADC H ADC L ADC H ADC L

ADC 7 ADC 9 ADC 1

ADC 6 ADC 8 ADC 0

ADC 5 ADC 7 -

ADC 4 ADC 6 -

ADC 3 ADC 5 -

ADC 2 ADC 4 -

ADC 1 ADC 3 -

c. MUX0-4 adalah bit-bit pemilih saluran pembacaan ADC Tabel 2.4 Tabel Pemeliharaan Saluran Input dan Gain Single Ended input ADC0 ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ADC5 ADC6 ADC7 ADC0 ADC1 ADC0 ADC0 10x 10x N/A Pos Differential Input Neg Diffrential Input

MUX4-0

Gain

00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000 01001

01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000 10001 10010 10011 10100 10101 10110 10111 11001 11010 11011 11100 11101 11110 11111 1.22 V (VBG) 0 V (GND) N/A

ADC0 ADC1 ADC2 ADC3 ADC2 ADC3 ADC0 ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ADC5 ADC6 ADC7 ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ADC5

ADC0 ADC0 ADC2 ADC2 ADC2 ADC2 ADC1 ADC1 ADC1 ADC1 ADC1 ADC1 ADC1 ADC1 ADC2 ADC2 ADC2 ADC2 ADC2

200x 200x 10x 10x 200x 200x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x 1x

N/A

ADCSRA ADCSRA adalah register 8 bit yang berfungsi untuk melakukan manajemen sinyal kontrol dan status ADC. Tabel 2.3 Register ADCSRA ADE N ADC ADAT ADI S E F ADI E ADP S2 ADP S1 ADP S0 ADCS RA

a. ADEN merupakan bit pengatur aktivasi ADC. Jika 1 maka ADC aktif. b. ADCS merupakan bit penanda dimulainya konversi ADC. Selama konversi berlogika 1 dan akan berlogika 0 jika selesai konversi. c. ADATE merupakan bit pengatur aktivasi picu otomatis. Jika bernilai 1 maka konversi ADC akan dimulai pada saat tepi positif pada sinyal trigger yang digunakan. d. ADIF merupakan bit penanda akhir konversi ADC. Jika bernilai 1 konversi ADC pada suatu saluran telah selesai dan siap diakses. e. ADIE merupakan bit pengatur aktivasi interupsi. Jika bernilai 1 maka interupsi penandaan telah selesai. Konversi ADC diaktifkan. f. ADPS0-2 merupakan bit pengatur clock ADC. Tabel 2.4 Konfigurasi Clock ADC ADPS2-0 000-001 010 011 100 Clock ADC Foso/2 Foso/4 Foso/8 Foso/16

101 110 111

Foso/32 Foso/64 Foso/128

SFIOR SFIOR adalah register 8 bit yang mengatur sumber pemicu ADC. Jika bit ADATE pada ADCSRA bernilai 0 maka ADTS0-2 tidak berfungsi. Tabel 2.5 Register SFIOR ADTS 2 ADTS 1 ADTS 0 ACM E PU D PSR 2 PSR1 0 SFIO R

-

Table 2.6 Pemilihan Sumber Picu ADC ADTS 2 0 0 0 ADTS 1 0 0 1

ADTS0

Sumber Pemicu

0 1 0

Free Running Mode Analog Comparator External Interupt Reques 0 Timer/Counter0 0n Compare Match Timer/Counter0 Overflow

0

1

1

1

0

0

1

0

1

Timer/Counter1 0n Compare Match B Timer/Counter 10n Overflow Timer/Counter1 0n Capture Event

1 1

1 1

0 1

2.5 Metoda Maximum Power Point Tracker (MPPT) Maximum Power Point Tracker (MPPT) adalah sebuah metoda yang digunakan pada solar panel untuk mengoptimalkan daya keluaran dari solar panel.Metoda MPPT digunakan karena sifat dari cahaya matahari yang berubah-ubah mengakibatkan perubahan pada daya keluaran pada solar panel

Gambar 2.12 Penjejakan dari dP/dV pada Posisi yang Berbeda Berdasarkan gambar algoritma P&O, tegangan dijejak dengan kenaikan yang kecil dan perubahan daya (P dapat diamati. Bila (P positif berarti mendekati titik daya maksimum dan bila negatif berarti menjauh dari titik daya maksimum, sehingga penjejakan harus dikembalikan kearah yang berlawanan. Masalah yang dihadapi P&O adalah terjadinya osilasi disekitar titik daya maksimumnya.gambar di bawah ini adalah diagram alir algoritma P&O.

Gambar 2.13 Flow chat MPPT