RANCANG BANGUN OPTIMASI SEL SURYA MENGGUNAKANTRANSISTOR 2N3055 BEKAS BERBASIS ATMEGA 16

Oleh: Taufiq Roisy HidayatNIM : 09507131008

ABSTRAK

Tujuan dari pembuatan rancang bangun optimasi sel surya menggunakan transistor 2N3055bekasberbasis mikrokontroler ATmega 16 adalah sebagai pengganti sel surya untuk sumber energilistrik menggunakan sampah elektronik dengan menggunakan pengarah sel surya. Pembuatan alat inijuga untuk mengetahui unjuk kerja dari komponen-komponen yang digunakan sebagai penyusunutama dari alat ini. Rancang bangun optimasi sel surya menggunakan transistor 2N3055 bekasberbasismikrokontroler ATmega 16 menggunakan sensor cahaya (LDR) sebagai pendeteksi adanya sinarmatahari, dan motor servo untuk menggerakkan transistoragar dapat menerima cahaya matahari yangmaksimal. Alat ini bekerja apabila sensor cahaya (LDR) mendeteksi adanya cahaya dan kemudianakan menjalankan motor servo yang digunakan untuk menggerakkan transistor agar dapatmenghasilkan tegangan. Metode yang digunakan dalam rancang bangun optimasi sel suryamenggunakan sampah elektronik berbasis mikrokontroler ATmega 16 ini adalah metodeeksperimental, dengan metode ini didapatkan teknik perancangan yang terdiri dari beberapa tahapyaitu(1) Identifikasi kebutuhan, (2) Analisis Kebutuhan, (3) Perancangan perangkat keras danperangkat lunak, (4) Pembuatan alat, (5) Pengujian Alat dan (6) Pengoperasian Alat. Perangkat kerasterdiri dari (1) Sistem minimum ATmega16 sebagai pengendali utama, (2) LDR sebagai sensorcahaya yang digunakan untuk mencari cahaya yang maksimal, (3) motor servo digunakan sebagaipenggerak transistor (4) LCD sebagai penampil arah dan sudut dari tujuan motor servo. Berdasarkanhasil pengujian yang telah dilaksanakan maka dapat disimpulkan bahwa alat rancang bangunoptimasi sel surya menggunakan transistor 2N3055 bekas berbasis mikrokontroler ATmega 16 inidapat bekerja sesuai dengan prinsip kerja yang dirancang. Hal tersebut ditunjukkan bahwa transistordapat menghasilkan tegangan sebesar 5,6 Vdc, dan arus sebesar 0,00028 A sudah melebihi dari yangdiharapkan yaitu tegangan 5,0 Vdc dan arus 0,00025A.

Kata kunci : Sensor cahaya LDR, ATmega16, Motor servo, Transistor 2N3055, Sel surya

Pendahuluan

Masalah energi tampaknya akan menjaditopik yang hangat sepanjang peradaban umatmanusia. Upaya mencari sumber energi alternatifsebagai pengganti bahan bakar fosil (batubaradan minyak) masih tetap ramai dibicarakan. Adabeberapa energi alam sebagai energi alternatifyang bersih, tidak berpolusi, aman dan denganpersediaan yang tidak terbatas. Di antaranyaadalah energi surya, angin dan perbedaan suhuair laut. Di masa yang akan datang, denganadanya kebutuhan energi yang makin besar,penggunaan sumber energi listrik yang beragamtampaknya tidak bisa dihindari .

Penggunaan bahan bakar fosil sebagaisumber energi menimbulkan pencemaran udarayang bisa mengakibatkan masalah kesehatan.Hal ini terjadi karena batubara dan minyak yangmerupakan sumber energi fosil dalampembakarannya melepaskan Karbondi Oksida(CO2) dan Sulfurdi Oksida (SO2) yangmenyebabkan pencemaran udara seperti hujanasam dan pemanasan global. (AngriawanDimasoky : 2010)

Pencemaran lingkungan tidak hanyaditimbulkan oleh penggunaan energi fosil sajatetapi sampah elektronik. Akibat dampak daripesatnya perkembangan teknologi juga sangatmerugikan lingkungan Salah satu masalah

lainnya adalah banyaknya sampah elektronikyang berasal dari barang-barang elektronik yangtelah rusak, maupun tidak dipakai lagi oleh

penggunanya. Sampah tersebut memiliki potensibahaya karena kandungan logam berat yangdimilikinya. (Angriawan Dimasoky : 2010)

Oleh karena itu, inovasi yang berjudul rancang

bangun optimasi sel surya menggunakantransistor 2N3055 bekas berbasis mikrokontrolerATmega 16 hadir untuk mengatasi masalah

krisis energi dan sampah elektronik. Sel suryayang merupakan pengubah sinar mataharimenjadi energi listrik, pada dasarnya identikdengan piranti semikonduktor.

Melihat faktor-faktor yang telah dijabarkansebelumnya maka dapat ditarik beberaparumusan masalah, yaitu bagaimana merancanghardware optimasi sel surya menggunakanTransistor 2N3055 bekas berbasisMikrokontroler ATmega 16. Bagaimanamenggunakan software optimasi sel suryamenggunakan Transistor 2N3055 bekas berbasisMikrokontroler ATmega 16.

Gelombang elektromagnet yang terlihat olehpanca indera manusia adalah cahaya denganpanjang gelombang berkisar pada 300 - 700 nm(nanometer). Gelombang dengan panjanggelombang di atas 700 nm berada pada daerahinframerah dan dibawah 300 nm merupakandaerah ultraviolet. Cahaya merupakan kumpulanfoton yang mempunyai energi yang bisadimanfaatkan dan sebagian lagi di ubah menjadi

cahaya tampak. Perambatan cahaya di ruangbebas dilakukan oleh gelombangelektromagnetik dengan kecepatan 3 x 10pangkat 8 m/detik (Sumber : Beisser Arthur :1968).

Suatu sumber cahaya memancarkan cahayake semua arah, tetapi energi radiasinya tidakmerata karena juga dipengaruhi oleh sudut

penerangan, walaupun perubahannya tidakterlalu signifikan.

Jumlah energi radiasi yang dipancarkansebagai cahaya ke suatu arah tertentu di sebutintensitas cahaya (I) dengan satuan candela (cd).Jika intensitas cahaya suatu sumber sebesar 1 cdmelalui sudut ruang sebesar 1 steradian makaakan mengalir fluks cahaya sebesar 1 lumen.

Hal ini dinyatakan dengan :

Dimana :

I = intensitas cahaya ( cd )F = fluks cahaya ( lumen ) = sudut ruang ( strd )

Fluks cahaya yang dipancarkan oleh sumbercahaya ialah seluruh jumlah cahaya yangdipancarkan dalam satuan detik. Jika sebuahlampu pijar ditempatkan pada reflektor, makacahayanya akan diarahkan, tetapi jumlah ataufluksnya tetap. Dan jika lampu pijar iniditempatkan di titik tengah bola dengan jari-jari1 m, memancarkan cahaya dengan I = 1 cd kesegala arah, maka fluks cahaya dalam 1 strd akansama dengan 1 lumen. Intensitas penerangandipermukaan bola yang dibatasi oleh sudut ruang1 strd akan sama dengan 1 lux. Sumber cahayayang ditempatkan di titik tengah bola tersebut dilingkupi oleh 4I lumen, maka = 4 lumen.

(Sumber : Beisser Arthur : 1968).

Intensitas penerangan (iluminasi) di suatubidang ialah fluks cahaya yang jatuh pada 1 m2Dari bidang tersebut, dengan satuan lux. Jikasuatu bidang di terangi. F lumen seluas A m2 ,Maka :

Dimana :

Iavg = Intensitas Penerangan rata rata

A = Luas bidang yang diterangi ( m2 )

Cara kerja sel surya sendiri sebenarnyaidentik dengan piranti semikonduktor dioda.Ketika cahaya bersentuhan dengan sel surya dandiserap oleh bahan semikonduktor, terjadipelepasan elektron. Apabila elektron tersebutbisa menempuh perjalanan menuju bahan semi-konduktor pada lapisan yang berbeda, terjadiperubahan jumlah gaya-gaya pada bahan.Gaya tolak antar bahan semi-konduktor,menyebabkan aliran medan listrik (efekfotovoltaik) dan menyebabkan elektron dapatdisalurkan ke saluran awal dan akhir untukdigunakan pada instrumen.

Semua sel surya memerlukan cahaya untukmenyerap foton-foton ke dalam struktur selsehingga menghasilkan elektron-elektron via

efek fotovoltaik. Pada bagian silikon tipe-n,elektron sebagai pembawa arus, sedangkan disilikon tipe-p, lubang merupakan pembawa arus.

Bagian utama perubah energi sinar mataharimenjadi listrik adalah absorber (penyerap),meskipun demikian, masing-masing lapisan jugasangat berpengaruh terhadap efisiensi dari selsurya.

Sinar matahari terdiri dari bermacam-macamjenis gelombang elektromagnetik yang secaraspectrum radiasi panas matahari mempunyai.panjang gelombang 10-7 s/d 10-5, frekuensi1014 s/d 1015 Hz dan energi foton 10-1 s/d 101eV. Oleh karena itu absorber disini diharapkandapat menyerap sebanyak mungkin solarradiation yang berasal dari cahaya matahari(Beisser, 1968). Energi panas matahari hanyatersedia 10 11 jam per hari. Sel suryamerupakan suatu bahan semikonduktor, yangmengabsorbsi energi cahaya matahari secaralangsung menjadi energi listrik, melalui 3tahapan, yaitu :

a. Absorpsi cahaya matahari oleh materialsemikonduktor

b. Membangkitkan dan memisahkan daerahbebas positip dan negatip dari sel suryasehingga menghasilkan beda potensial.

c. Mentransfer hasil pemisahan melalui

terminal listrik ke beban berupa aruslistrik.

Tentu saja agar efisiensi dari sel surya bisatinggi maka foton yang berasal dari sinarmatahari harus bisa diserap yang sebanyakbanyaknya, kemudian memperkecil refleksi danrekombinasi serta memperbesar konduktivitasdari bahannya. Untuk bisa membuat agar fotonyang diserap dapat sebanyak banyaknya, makaabsorber harus memiliki energi pembebas

elektron dengan range yang lebar, sehinggamemungkinkan untuk bisa menyerap sinarmatahari yang mempunyai energi yang

bermacam macam tersebut. (Sumber : BeisserArthur : 1968).

Transistor tipe 2N3055 digunakan sebagaipengganti sel surya, karena termasuk kedalambahan semikonduktor dan didalam transistorterdapat bahan jenis silicon seperti bahan dasarsel surya pada umumnya. 1 transistor 2N3055dapat menghasilkan tegangan 0,5 dan arussebesar 0,0001 A. Agar mendapatkan tegangandan arus yang besar maka transistor dipasangsecara seri-paralel, yang berlandaskan hukumKirchoff I dan Kirchoff II tentang arus dantegangan. Hukum kirchoff tentang Seri

Berdasarkan hukum Kirchoff I jumlah kuat aruslistrik yang masuk ke suatu titik percabangansama dengan jumlah kuat arus yang keluar darititik percabangan tersebut.

I total = Itr 1 + Itr2 + ..+Itrn

Keterangan :

Itr 1 = arus yang dihasilkan transistor pertamaItr 2 = arus transistor keduaItr n= arus yang dihasilkan transistor ke-nI total = arus total

Sambungan paralel memiliki keuntungan arus

menjadi lebih besar namun tegangan yang

dihasilkan kecil. Pada alat ini transistor dicoba

dipasang secara paralel dengan hasil tegangan

3,5 Vdc dengan arus 0,00019 A.

Hukum kirchoff tentang tegangan

Berdasarkan hukum Kirchoff II Didalam suatu

rangkaian tertutup jumlah aljabar gaya gerak

listrik dengan penurunan tegangan sama dengan

nol

V1 + V2 + + Vn E= 0 atau E = V1 + V2 + + Vn

Keterangan

V1 = tegangan yang dihasilkan transistorpertama

V2 = tegangan yang dihasilkan transistor keduaVn = ke n

E = tegangan total

Sambungan seri memiliki keuntungantegangan menjadi lebih besar namun arus yangdihasilkan kecil. Dengan berlandaskan hokumkirchoff II transistor jengkol dipasang secaraseri, menghasilkan tegangan 5,1 Vdc denganarus 0,00010 A.

Dari kelebihan serta kekurangan sambunganseri dan paralel maka penggabungan transistorada dua macam yaitu pertama jika arus listrikingin bertambah maka disusun paralel,sedangkan jika tegangan listrik ingin bertambahmenggunakan susunan seri. (Sumber : Hallidaydan Resnick : 1991)

Mikrokontroler adalah sebuah sistemkomputer lengkap dalam satu chip.Mikrokontroler lebih dari sekedar sebuahmikroprosesor karena sudah terdapat atauberisikan ROM (Read-Only Memory), RAM(Read-Write Memory),beberapa pin masukanmaupun keluaran, dan beberapa peripheralseperti pencacah/pewaktu, ADC (Analog toDigital converter), DAC (Digital toAnalogconverter) dan serial komunikasi.

Salah satu mikrokontroler yang banyakdigunakan saat ini yaitu mikrokontroler AVR.AVR adalah mikrokontroler RISC (ReduceInstuction Set Compute) 8 bit berdasarkanarsitektur Harvard.

Secara umum mikrokontroler AVR dapatdapat dikelompokkan menjadi 3 kelompok, yaitukeluarga AT90Sxx, ATMega dan ATtiny. Padadasarnya yang membedakan masing-masingkelas adalah memori, peripheral, dan fiturnya

Seperti mikroprosesor pada umumnya, secarainternal mikrokontroler ATMega16 terdiri atasunit-unit fungsionalnya Arithmetic and LogicalUnit (ALU), himpunan register kerja, registerdan dekoder instruksi, dan pewaktu besertakomponen kendali lainnya. Berbeda denganmikroprosesor, mikrokontroler menyediakanmemori dalam chip yang sama dengenprosesornya.

Fitur yang tersedia pada ATMega 16 adalah : Frekuensi clock maksimum 16 MHz

Jalur I/O 32 buah, yang terbagi dalam

PortA, PortB, PortC dan PortD Analog to Digital Converter 10 bit

sebanyak 8 input Timer/Counter sebanyak 3 buah

CPU 8 bit yang terdiri dari 32 register

Watchdog Timer dengan osilatorinternal

SRAM sebesar 512 byte

Memori Flash sebesar 16 Kbytedengan kemampuan read while write Interrupt internal maupun eksternal

Port komunikasi SPI

EEPROM sebesar 512 byte yang dapat

diprogram saat operasi Analog Comparator

Komunikasi serial standar USART

dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps(Sumber : Widodo Budiharto :2004)

Motor Servo terdiri dari sebuah motor DC,serangkaian gear, sebuah potensiometer, sebuahoutput shaft dan sebuah rangkaian kontrolelektronik. Biasanya, motor servo berbentukkotak segi empat dengan sebuah output shaftmotor dan konektor dengan 3 kabel yaitu power,kontrol dan ground. Gear motor servo ada yangterbuat dari plastic, metal atau titanium. Didalammotor servo terdapat potensiometer yangdigunakan sebagai sensor posisi. Potensiometertersebut dihubungkan dengan output shaft untukmengetahui posisi aktual shaft.

Ketika motor dc berputar, maka output shaftjuga berputar dan sekaligus memutarpotensiometer. Rangkaian kontrol kemudiandapat membaca kondisi potensiometer tersebutuntuk mengetahui posisi aktual shaft. Jika

posisinya sesuai dengan yang diinginkan, makamotor dc akan berhenti. Sudut operasi motorservo (Operating Angle) bervariasi tergantungjenis motor servo.(Sumber : Abdurrahman Fikri : 2011)

LDR adalah sebuah resistor yang nilainyaselalu berubah ubah sesuai dengan intensitas

cahaya yang diterima. LDR akan mempunyaihambatan yang besar ketika intensitas cahayayang diterima kecil atau cahayanya redup,sedangkan LDR akan mempunyai hambatanyang kecil bila intensitas cahaya yang di terimabesar atau terkena cahaya terang.

Untuk mengarahkan dudukan transistor2N3055 agar selalu tegak lurus dengan matahariperlu sebuah sensor untuk mendeteksi berapaderajat simpangan matahari terhadap sumbutegak lurus dari dudukan transistor, maka dari itusensor LDR di tempatkan pada dudukan yangberbentuk setengah lingkaran berjumlah 8 buahLDR dan pada LDR diberi sebuah pelindungyang berbentuk pipa agar hanya salah satu LDRyang terkena cahaya matahari secara langsung.

Dengan pemasangan secara setengah

lingkaran LDR saja yang terkena cahayamatahari secara langsung, jadi hanya ada satuLDR yang nilai hambatannya paling kecil yangmenunjukkan arah matahari pada saat itu.Karena mikrokontroller tidak dapat mengolahsecara langsung nilai hambatan maka terlebihdahulu nilai hambatan dikonversi menjadi nilaitegangan setelah itu barulah mikrokontrollerdapat mengolahnya. Pada intinya sensor inimembaca sudut persimpangan matahari.(http://diary.mybustanoel.wordpress.com)

Konsep Rancangan

Rancangan ini bertujuan untuk mendapatkanrancangan / struktur kerja dari alat ini danmengetahui kelayakannya.Rancang bangunoptimasi sel surya menggunakan Transistor

2N3055 bekas dirancang melalui tahapan :

analisis kebutuhan, desain blok diagram danpengujian alat.

Desain diagram blok terdiri dari blok inputdisini yaitu matahari sebagai sumber energipanas, ldr digunakan untuk mendeteksi cahayamatahari dan kemudian menggerakkan servodiproses disystem mikrokontroler.Mikrokontroler ATmega16 Sistem kontrol yang

digunakan adalah sistem mikrokontrolerATmega16 dengan rancang bangun yang

disesuaikan kebutuhan alat.

Pengujian alat dilakukan untuk mendapatkandata penelitian. Dalam pengujian alat inidilakukan dengan dua pengujian, yaitu :

1. Uji fungsionalPengujian dilakukan dengan menguji setiapblok-blok alat berdasarkan karakteristik danfungsi masing-masing blok. Pengujian inidilakukan dengan tujuan memastikan setiapblok-blok alat dapat bekerja sesuai denganfungsinya, agar pada saat perakitan tidakterjadi kendala.

2. Uji unjuk kerjaPengujian dilakukan dengan menguji alatyang sudah jadi berdasarkan fungsinya.Pengujian ini dilakukan dengan tujuanuntuk mengetahui alat dapat bekerjasesuai dengan fungsinya atau tidak.

Hasil dan PembahasanTujuan pengujian adalah untuk mengetahuikinerja alat.Hasil PengujianPengukuran yangdilakukan guna membuktika bahwa transistor

2N3055 bekas dapat menghasilkan tegangan danarus dan bisa dijadikan alternatif lain untukmembuat sel surya dari bahan siicon.Table 1. pengujian transistor

Pembahasan1. Perangkat keras (Hardware)

a. Power SupplyPower supplyadalah sumber daya yangdigunakan untuk memasok teganganpada semua komponenyang terdapatpada alat.Power supply disini terdiridari trafo, diode, kapasitor danregulator 7805.Power supply pada alatini menghasilkan tegangan 5Volt.Dengan tegangan tersebut sudahbisa memasok semua komponen yangdigunakan pada alat.(http://www.transiskom.com)

b. LDRSensor cahaya (LDR) dapat mendeteksiadanya sinar matahari atau cahayayang diterima. Apabila LDR menerimacahaya secara otomatis mikrokontroler

atmega 16 mengkonversi danmneggerakkan motor servo .

(http://diary.mybustanoel.wordpress.com)

matahari

LDR

ATmega16

Motorservo

LCD

multi

meter

Transistor2n3055

LED

Gambar 1. Diagram Blok Rancang Bangunoptimasi sel surya

c. LCD

LCD dapat berjalan dengan baik sesuaidengan yang diharapkan.Itu semua ditunjukan LCD mampu menampilkankarkater-karakter yang diperintahkanoleh mikro diantaranya mampumenampilkan sudut dan sensor yangdituju

d. Sistem mikrokontroler ATmega 16Sistem mikrokontroler ATmega 16adalah gabungan dari beberapakomponen yang difungsikan sebagaipengendali pada alat ini.Gabungan daribeberapa komponen ini disebut jugasistem minimum. Ada beberapa faktorpertimbangan mengapa pada alat inimenggunakan ATmega 16,diantaranya: harganya murah, banyakdipasaran, dan sudah memenuhi yangdibutuhkan oleh alat. Sistemmikrokontroler ATmega 16 ini sudahbisa memproses data perintah danmenerjemahkan perintah tersebut untukdijadikan gerakan pada motor servosebagai penggerak dari dudukantransistor. Ini menunjukan sistem padamikrokontroler ATmega 16 sudah bisaberoperasi dengan baik. (Sumber :Widodo Budiharto :2004)

e. Motor servo

Motor servo adalah sebuah motordengan sistem closed feedback di manaposisi dari motor akan diinformasikankembali ke rangkaian kontrol yang adadi dalam motor servo. Pada alat inimenggunakan motor servo jenis power

prodengan metal gear. Tegangan kerjapada motor servo adalah 5 Volt, namundari hasil pengukuran tegangan padaalat yaitu 4.98 Volt. Ini menunjukanterjadinya internal tesistance padasistem minimum sebesar 4 %.Meskipun demikian motor servo sudahmampu menggerakan dudukantransistor 2N3055. (Sumber :Abdurrahman Fikri : 2011)

2. Software (perangkat lunak)Agar dudukan transistor 2N3055 dapatbergerak memerlukan beberapa softwaresupaya alat dapat bekerja dengan baikdiantaranya, perangkat lunak atau softwarepada alat ini dibuat menggunkan bahasapemrograman C, denganmemfungsikancompiler Code Vision AVR.Dengan menggunakan software CVAVRyang diterapkan pada pembuatan rancangbangunini dapat berfungsi dengan baikdibuktikan dengan algoritma dan berjalannyaalat sesuai konsep yang telah diterapkan.(Sumber : Widodo Budiharto :2004)

Simpulan

Berdasarkan hasil pengujian yang telahdilakukan terhadap rancang bangun optimasi selsurya menggunakan transistor 2N3055 bekasberbasis mikrokontroler ATmega16 dapatdisimpulkan sebagai berikut :

1. Perangkat kerasRancang Bangun Optimasi

Sel Surya Menggunakan SampahElektronik Berbasis MikrokontrollerATmega16dapat diwujudkan denganmenggabungkan beberapa komponen dan

rangkaian, diantaranya : rangkaian catudaya, sensor LDR, Motor servo danrangkaian output (LCD). Setiap elementersebut disatukan oleh mikrokontrollerATmega16 sebagai pusat kendali.

2. Dari hasil pengujian transistor jengkolsecara langsung terhadap sinar mataharidengan menggunakan beban lampu leddihasilkan tegangan sebesar 5,6 vdc danmenghasilkan arus sebesar 0,00028 A padasaat cuaca tidak mendung, sedangkan padacuaca mendung menghasilkan tegangansebesar 4,8 vdc dan arus 0,00017 A. Padapengujian sensor cahaya, sensor yang

digunakan LDR dan menggunakan 8 buahsensor,dari ke-8 sensor tersebut dapatbekerja dengan baik sesuai denganperencanaan. Dengan dibuktikanya sensordapat mencari cahaya matahari yang palingmaksimal. Dan untuk pengujian motorservoakan bergerak sesuai dengan sensorLDR yang terkena cahaya matahari danLCD sebagai output akan menampilkandata sudut dan posisi sensor.

Daftar Pustaka1. Abdurrahman Fikri.2011.Motor Servo. Di ambil

12 desember 2012 darihttp://fikri4share.com/2011/12/motor-servo.html

2. Angriawan Dimasoky.(2010). Perancangandesain optimasi sel surya menggunakan sampahelektronik berbasis mikrokontroller. Surabaya:Institute Sepuluh November

3. Anonim :

(http://diary.mybustanoel.wordpress.com)4. Anonim : (http://www.transiskom.com)

5. Beisser Arthur. (1968). Konsep FisikaModern, Erlangga, Jilid I Edisi II, Jakarta.

6. Budiharto Widodo.(2004). Interfacing Komputerdan MikrokontrolerJakarta:Penerbit Elex MediaKomputindo

7. Halliday dan Resnick. (1991). Fisika Jilid II.Jakarta : Erlangga.

Penguji Pembimbing

Drs. Slamet, M.Pd Drs. Djoko Santoso, M.PdNIP.19510303 197803 1 004 NIP. 19580422 198403 1 002