BAB IITEORI PENUNJANG

2.1 Sel Surya [1]Sel surya atau sel photovoltaic, adalah sebuah alat

semikonduktor yang terdiri dari sebuah wilayah-besar dioda p-n junction, di mana, dalam hadirnya cahaya matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini disebut efek photovoltaic. Bidang riset berhubungan dengan sel surya dikenal sebagai photovoltaics.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil, satelit pengorbit (bumi), kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering.

Gambar 2.1 Sel Surya

2.1.1 Proses Konversi [2] Proses pengubahan atau konversi cahaya matahari menjadi

listrik ini dimungkinkan karena bahan material yang menyusun sel surya berupa semikonduktor. Lebih tepatnya tersusun atas dua jenis semikonduktor; yakni jenis n dan jenis p.

Semikonduktor jenis n merupakan semikonduktor yang memiliki kelebihan elektron, sehingga kelebihan muatan negatif (n = negatif). Sedangkan semikonduktor jenis p memiliki kelebihan hole, sehingga disebut dengan p ( p = positif) karena kelebihan muatan positif. Caranya, dengan menambahkan unsur lain ke dalam semkonduktor, maka kita dapat mengontrol jenis semikonduktor tersebut, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 2.2.

3

Gambar 2.2 Proses Konversi

Pada awalnya, pembuatan dua jenis semikonduktor ini dimaksudkan untuk meningkatkan tingkat konduktifitas atau tingkat kemampuan daya hantar listrik dan panas semikonduktor alami. Di dalam semikonduktor alami (disebut dengan semikonduktor intrinsik) ini, elektron maupun hole memiliki jumlah yang sama. Kelebihan elektron atau hole dapat meningkatkan daya hantar listrik maupun panas dari sebuah semikoduktor.

Akan tetapi, biaya produksi listrik yang tinggi dari sel-sel surya berbasis semikonduktor (silikon) telah membatasi penggunaan teknologi ini. Oleh karena itu, sel surya yang murah dengan kinerja sel tinggi dan sel surya organik bisa menjadi solusi. Sel-sel ini mudah dibuat dari material organik yang tidak mahal dan, berbeda dengan sel surya anorganik, ringan, fleksibel dan beraneka warna.

Absorpsi cahaya oleh sel-sel organik menyebabkan sebuah keadaan eksitasi yang dikenal sebagai exciton atau pasangan elektron-lubang (electron-hole). Elektron dan lubang terpisah satu sama lain dan dibawa melalui molekul donor dan akseptor ke elektroda, menghasilkan sebuah arus listrik (photocurrent). Proses konversi cahaya secara langsung menjadi listrik ini dikenal sebagai photovoltaic dan harus dioptimasi untuk sel-sel surya organik agar menjadi efisien. Banyak upaya yang telah dilakukan untuk mencari molekul donor dan akseptor yang cocok dan pengaturannya pada sebuah permukaan elektroda yang berskala nanometer.

Fulleren dan turunannya telah banyak digunakan sebagai molekul akseptor yang sangat baik. Baru-baru ini, tabung-nano karbon (CNT), yang memiliki struktur berbasis karbon mirip fulleren, telah

4

menarik banyak perhatian. Berbeda dengan bentuk fulleren yang bulat, CNT memiliki struktur satu dimensi seperti kawat, yang menjadikannya lebih baik dalam membentuk jalur transportasi elektron atau lubang dalam sel. Area permukaannya yang luas meningkatkan pemisahan pasangan elektron-lubang dan menunjukkan daya hantar yang beberapa kali lebih besar dibanding polimer-polimer penghantar listrik. CNT juga bisa bertindak sebagai donor sekaligus akseptor elektron tergantung pada sifat-sifat redoks dari komponen lain dalam sel. Semua sifat ini menjadikan CNT sebagai kandidat yang menjanjikan untuk pemisahan dan transportasi muatan dalam sel-sel surya organik.

Gambar 2.3 Struktur Jalur Transport Muatan pada Sel Surya Organik

Beberapa ilmuwan telah membuat peralatan fotoelektrokimia atau sel photovoltaic dengan elektroda yang termodifikasi CNT. Mereka menggunakan berbagai metode, termasuk deposisi lapis demi lapis dan pelapisan semprot, untuk mengatur CNT dengan molekul donor atau akseptor yang cocok pada permukaan-permukaan elektroda. Akan tetapi, sekarang ini, efisiensi konversi energi dari elektroda yang termodifikasi CNT belum setara dengan kinerja tinggi sel surya peka zat warna - yang menggunakan elektroda titanium dioksida nanokristalin berpori dengan zat warna ruthenium.

Saat ini, sulit untuk mensintesis CNT murni dengan struktur yang konsisten. Untuk memperbaiki sel surya berbasis CNT, para ilmuwan telah memurnikan atau memilih CNT yang memiliki struktur terbaik untuk transpor muatan. Atau, pendekatan yang lebih menarik adalah dengan menggunakan CNT sebagai perancah-nano (nanoscaffold) bagi molekul donor atau akseptor untuk membuat jalur transportasi arus.

5

2.2 LDR (Light Dependent Resistor) [3]Light Dependent Resistor atau yang biasa disebut LDR adalah

jenis resistor yang nilainya berubah seiring intensitas cahaya yang diterima oleh komponen tersebut. Biasa digunakan sebagai detektor cahaya atau pengukur besaran konversi cahaya. Light Dependent Resistor, terdiri dari sebuah cakram semikonduktor yang mempunyai dua buah elektroda pada permukaannya. Pada saat gelap atau cahaya redup, bahan dari cakram tersebut menghasilkan elektron bebas dengan jumlah yang relatif kecil. Sehingga hanya ada sedikit elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya redup LDR menjadi konduktor yang buruk, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang besar pada saat gelap atau cahaya redup.

Pada saat cahaya terang, ada lebih banyak elektron yang lepas dari atom bahan semikonduktor tersebut. Sehingga akan ada lebih banyak elektron untuk mengangkut muatan elektrik. Artinya pada saat cahaya terang LDR menjadi konduktor yang baik, atau bisa disebut juga LDR memiliki resistansi yang kecil pada saat cahaya terang.

Gambar 2.4 Bentuk fisik LDR

2.2.1. Karakteristik LDR LDR mempunyai karakteristik yang dapat dilihat pada Gambar 2.5. Pada Gambar 2.5 dapat dilihat apabila intensitas cahaya makin besar, maka tahanan LDR kecil, sebaliknya apabila LDR tidak terkena cahaya atau dalam kondisi gelap maka tahanannya akan menjadi besar bisa mencapai beberapa MΩ. Tetapi apabila seberkas cahaya jatuh mengenai permukaan LDR maka nilai tahanannya akan turun sebanding dengan intensitasnya.

6

Gambar 2.5 Kurva Karakteristik LDR

2.2.2 Prinsip Kerja LDRPada sisi bagian atas LDR terdapat suatu garis / jalur

melengkung yang menyerupai bentuk kurva. Jalur tersebut terbuat dari bahan cadmium sulphida yang sangat sensitiv terhadap pengaruh dari cahaya. Jalur cadmium sulphida yang terdapat pada LDR dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Jalur Cadmium Sulphida LDR

Pada Gambar 2.6 jalur cadmium sulphida dibuat melengkung menyerupai kurva agar jalur tersebut dapat dibuat panjang dalam ruang (area) yang sempit. Cadmium sulphida (CdS) merupakan bahan semi-konduktor yang memiliki gap energi antara elektron konduksi dan elektron valensi. Ketika cahaya mengenai cadmium sulphida, maka energi proton dari cahaya akan diserap sehingga terjadi perpindahan dari band valensi ke band konduksi. Akibat perpindahan elektron tersebut

7

Resistansi (KΏ)

Intensitas (Lux)

mengakibatkan hambatan dari cadmium sulphida berkurang dengan hubungan kebalikan dari intensitas cahaya yang mengenai LDR.

2.2.3 LDR Sebagai SensorResistansi LDR akan berubah seiring dengan perubahan

intensitas cahaya yang mengenainya atau yang ada disekitarnya. Dalam keadaan gelap resistansi LDR sekitar 10 MΩ dan dalam keadaan terang sebesar 1 KΩ atau kurang. LDR terbuat dari bahan semikonduktor seperti kadmium sulfida. Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan. Namun perlu juga diingat bahwa respon dari rangkaian transistor akan sangat tergantung pada nilai LDR yang digunakan. Lebih tinggi nilai tahanan nya akan lebih cepat respon rangkaian.

Akan lebih mudah mengatur respon rangkaian bila kita menggunakan Op-Amp sebagai penguat atau saklar pada rangkaian LDR. Kita bisa gunakan berbagai jenis Op-Amp yang tersedia. Kalau tersedia jenis CMOS atau yang lain tidak akan mempengaruhi penampilan LDR pada rangkaian. Tergantung pada aplikasi rangkaian yang akan kita rakit. Apakah keluaran Op-Amp akan tinggi saat LDR tidak mendapat cahaya atau keluaran Op-Amp akan mencapai tegangan supply pada saat LDR mendapat cahaya. Gunakan rangkaian dasar Op-Amp inverse atau non-inverse. Dengan sifat LDR yang demikian, maka LDR (Light Dependent Resistor) biasa digunakan sebagai sensor cahaya.

2.3 Mikrokontroler [4] Mikrokontroler adalah sebuah chip yang yang didalamnya sudah terdapat mikroprosesor, I/O pendukung, memori bahkan ADC (Analog to Digital Converter) perangkat keras dibuat menjadi semakin canggih, jutaan transistor dijejalkan didalamnya, miniatur dimensi semakin ditingkatkan dengan kemampuan mengolah program yang lebih komplek sehingga memungkinkan untuk aplikasi disegala bidang. Perkembangan perangkat lunak juga berkembang tak terbatas, seakan hanya dibatasi oleh kemampuan imajinasi manusia saja. Mikrokontroler, adalah mikroprosesor yang dikhususkan untuk instrumentasi dan kendali, contoh kendali aplikasi kendali pada motor, berperan seperti PLC (Programmable Logic Control), pengaturan pengapian dan injeksi bahan bakar pada kendaraan atau alat mengukur suatu besaran, seperti suhu, tekanan, kelembaban dan lain-lain. Dalam

8

perkembangannya yang begitu cepat, batasan-batasan terebut menjadi kabur, seperti definisi micro dan main frame computer. Beberapa Mikrokontroler disebut embedded prosesor, atau embedded prosesor adalah mikrokontroler, artinya prosesor yang diberikan program khusus yang selanjutnya diaplikasikan untuk akuisisi data dan kendali khusus, dan bisa diprogram ulang. Beberapa mikrokontroler modern juga sudah dilengkapi dengan DSP (Digital Signal Processor) atau mikrokontroler yang tergolong RISC (Reduced Instruction Set of Computing). Mikrokontroler adalah piranti keras yang tidak akan bisa bekerja kalau tidak ada perangkat lunak, inilah yang membedakan mikroprosesor dengan rangkaian digital diskrit kemampuannya untuk diprogram, dan diprogram ulang adalah suatu kelebihan didalam mikrokontroler atau mikroprosesor, contohnya dalam suatu sistem pengendali lampu lalu lintas dengan rangkaian diskrit perlu menambahkan merubah rangkaian bila diperlukan perubahan sistem, tetapi dengan sistem prosesor atau mikrokontroler, bisa dilakukan dengan hanya merubah program.

2.3.1 Mikrokontroler AVR ATmega16 Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) merupakan pengontrol utama standar industri dan riset saat ini. Hal ini dikarenakan berbagai kelebihan yang dimilikinya dibandingkan dengan mikroprosesor, yaitu murah, dukungan software dan dokumentasi yang memadai, dan membutuhkan komponen pendukung yang sangat sedikit. Salah satu tipe mikrokontroler AVR untuk aplikasi standar yang memiliki fitur memuaskan ialah ATmega16.

Mikrokontroler atau mikroprosesor adalah suatu piranti yang digunakan untuk mengolah data-data biner (digital) yang didalamnya merupakan gabungan dari rangkaian-rangkaian elektronik yang dikemas dalam bentuk suatu chip (IC). Pada umumnya mikrokontroler tediri dari bagian-bagian sebagai berikut: Alamat (address), Data, Pengendali, Memori (RAM atau ROM), dan bagian Input-Output.

2.3.2 Spesifikasi Mikrokontroler AVR ATmega16 Fitur-fitur pada mikrokontroler ATmega16 antara lain:

a. Saluran I/O ada 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D.

b. ADC 10 bit sebanyak 8 channel.c. CPU yang terdiri dari 32 buah register.

9

d. Watchdog Timer dengan osilator internale. Dan fitur-fitur lain yang mempermudah dalam penggunaan.f. Tegangan kerja berkisar 4-5 Volt.g. Memori Flash 8 Kbytes untuk program h. Memori EEPROM 512 bytes untuk data i. Memori SRAM 512 bytes untuk data j. 20 interupt k. Satu 16-bit timer dan dua 8-bit timer l. Komunikasi serial melalui SPI dan USART m. Analog komparator n. 4 I/O PWM o. Fasilitas In System Programming (ISP)

2.3.3 Konsep ADC (Analog to Digital Converter) ATmega16 Input ADC pada mikrokontroler dihubungkan ke sebuah 8 channel 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 ke dua buah input ADC, disebut sebagai defferential input, yang dapat dikombinasikan sebanyak 16 kombinasi. Secara 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.

Gambar 2.7 Register ADMUX

Untuk memilih channel ADC mana yang digunakan (single ended atau diferensial), atur nilai MUX4:0. misalnya channel ADC0 sebagai input ADC, maka MUX4:0 diberi nilai 00000B.

10

Tegangan referensi ADC dapat dipilih antara lain pada pin AREF, pin AVCC, atau menggunakan tegangan referansi internal sebesar 2,56 Volt. Agar fitur ADC mikrokontroler dapat digunakan, maka ADEN (ADC enable dalam I/O register ADCSRA) harus diberi nilai satu.

Setelah konversi selesai (ADIF high), hasil konversi dapat diperoleh pada register hasil (ADCL, ADCH). Untuk konversi single ended, hasilnya ialah:

..…………………………………..............

(2.1)Dimana VIN adalah tegangan pada input yang dipilih dan VREF

adalah tegangan referensi. Jika hasil ADC=000H, maka menunjukkan tegangan input sebesar 0 Volt, jika hasil ADC=3FFH menunjukkan tegangan input sebesar tegangan referensi dikurangi 1 LSB.

Jika yang digunakan adalah saluran diferensial, maka hasilnya ialah:

……………….

…………(2.2)Dimana VPOS adalah tegangan pada input pin positif, VNEG adalah

tegangan pada input pin negatif, gain adalah faktor penguatan, dan VREF

adalah tegangan referensi yang digunakan. Fasilitas ADC pada CodeVision AVR dapat dikonfigurasi sebagai berikut:

11

Gambar 2.8 Konfigurasi ADCDengan ADC enabled berarti mengaktifkan on-chip ADC.

Dengan mencentang Use 8bit, maka hanya 8 bit terpenting yang digunakan. Hasil konversi 10 bit biner ditulis dengan 00 0011 0110B. Jika dalam format right adjusted (ADLAR=0), maka I/O register ADCH berisi 0000 0000B (00H) dan I/O register ADCL berisi 0011 0110B (36H).

2.3 Motor DC [5]Motor DC terdapat dalam berbagai ukuran dan kekuatan,

masing- masing didesain untuk keperluan yang berbeda-beda namun secara umum memiliki berfungsi dasar yang sama yaitu mengubah energi elektrik menjadi energi mekanik. Sebuah motor DC sederhana dibangun dengan menempatkan kawat yang dialiri arus di dalam medan magnet. Kawat yang membentuk loop ditempatkan sedemikian rupa diantara dua buah magnet permanen. Bila arus mengalir pada kawat, arus akan menghasilkan medan magnet sendiri yang arahnya berubah-ubah terhadap arah medan magnet permanen sehingga menimbulkan putaran.

12

Gambar 2.9 Motor DC

Pada motor DC, kumparan medan yang dialiri arus listrik menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konverter energi baik energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya dari energi mekanik menjadi energi listrik (generator) berlangsung melalui medium medan magnet. Energi diubah dari suatu sistem ke sistem yang lain, sementara tersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem lainya. Dengan demikian, medan magnet disini selain berfungsi sebagi tempat penyimpanan energi juga sekaligus proses perubahan energi

13

Halaman ini sengaja dikosongkan

14