PENGARUH SUMBER TEGANGAN SEARAH BERUBAH PADA SISTEM KONTROL MIKROKONTROLER
Suyanto Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung Jln. Gegerkalong Hilir, Bandung,4000, INDONESIA
[email protected] AbstrakTujuan penelitian ini adalah merancang sistem Penelitian ini dilakukan di laboratorium dan di kontrol tegangan searah menggunakan mikrokontroler bengkel dengan uji coba secara berulang-ulang supaya Atmega 8535 dengan input berubah dengan tegangan mendapatkan hasil yang lebih akurat. stabil dan daya besar. Beban (plant) yang akan II.TINJAUAN PUSTAKA DAN TEORI digunakan berupa alat pemanas 12 Volt dengan daya 120 IGBT merupakan komponen aktip yang digunakan Watt. 2.1 Studi Literatur untuk men-drive arus supaya arus output mencapai 10 Pengendali PID adalah pengendali yang sampai Ampere dan tegangan output stabil 12 V searah. IGBT sekarang masih banyak digunakan di dunia industri. Hal bekerja jika input (Gate) diberi pulsa ON atau OFF (logic yang krusial pada desain kontroler PID ini ialah 0 atau 1), pulsa tersebut adalah PWM (Pulse Wave menentukan parameter pengendali atau tuning. Dari Modulation) yang dapat dibangkitkan menggunakan banyak metode tuning yang telah dikembangkan saat ini, mikrokontroler ATMega-8535. Dengan mengatur sebuah digunakan metode tuning Direct Synthesis. ON(tON) atau Duty Cycle dari PWM, akan dapat waktu memperbesar atau memperkecil tegangan output dari Pengubah daya DC ke DC ( DC–DC Converter IGBT. Jika Duty cycle semakin besar maka tegangan tipe peralihan atau di kenal juga dengan DC Chopper output semakin kecil. Hasil pengujian menunjukkan dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan bahwa untuk input tegangan searah berubah dari 14.0V keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan sampai 20.0 V diperoleh output 11.5 Volt sampai permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC 12.5Volt. DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada Keywords— Pulse Wave Modulation, ATMega 8535, dasarnya tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu hubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. I. PENDAHULUAN Plant berupa alat elektrolisa yang menghasilkan gas H2O dengan tegangan searah minimum 11.5 V maksimum 1.,0V dan arus maksimum 10 Amper. Sumber tegangan searah berubah-ubah dari 14 Volt sampai dengan 20 Volt. Dalam implementasi kendali Tegangan DC, mikrokontroler bekerja untuk membangkitkan gelombang yang digunakan untuk memicu atau membuat on/off IGBT dengan input dari ADC. Selain itu mikrokontroler juga meminimalkan recovery time dari respon sistem saat ada perubahan tegangan masukan (tegangan sumber), sehingga didapat sistem yang mempunyai respon yang cepat dan akurat. Untuk kendali tegangan DC yang berkapasitas sekitar 100 Watt dibutuhkan proses kendali terprogram dengan perangkat keras yang mempunyai tanggapan yang cepat. Untuk itu digunakan mikrokontroler yang kecepatan perubahan keluarannya segera dapat mengendalikan tegangan output tersebut agar tetap stabil walau ada perubahan tegangan sumber.
Komponen yang digunakan adalah komponen Thyristor, MOSFET, atau IGBT. Secara umum ada dua fungsi pengoperasian DC chopper yaitu penaikan tegangan (Buck Converter) dan penurunan tegangan (Boost Converter). Agar mendapatkan hasil keluaran yang baik (konstan) dari rangakaian DC-DC Converter ini maka digunakan pengendai PI sebagai pengendali keluaran.
POLBAN
51
IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor dwikutub gerbang –terisolasi (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor) adalah piranti semikonduktor dengan tiga terminal yang setara dengan gabungan sebuah BJT dan sebuah MOSFET yang tercatat untuk efisiensi tinggi dan cepat berpindah. Karena dirancang untuk cepat menghidupkan dan mematikan, jenis piranti baru yang berfungsi sebagai komponen saklar untuk aplikasi daya ini muncul sejak
tahun 1980-an. Bentuk dan symbol IGBT dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar.1. Simbol IGBT Karakteristik IGBT Input dari IGBT adalah terminal Gate dari MOSFET, sedang terminal Source terhubung ke terminal dari BJT. Dengan demikian, arus drain dari Basis MOSFET akan menjadi arus basis dari BJT. Karena besarnya tahanan input dari MOSFET, maka terminal input dari IGBT akan menarik arus yang kecil dari sumber daya. Arus drain dari MOSFET akan cukup besar untuk membuat BJT saturasi. Dengan gabungan sifat kedua elemen tersebut, IGBT mempunyai perilaku yang cukup ideal sebagai sebuah saklar elektronik. Input IGBT mempunyai impedansi yang sangat tinggi, sehingga tidak membebani rangkaian pengendalinya yang umumnya terdiri dari rangkaian logika. Ini akan menyederhanakan rancangan rangkaian pengendali dan penggerak dari IGBT. Disamping itu, kecepatan pensaklaran IGBT lebih tinggi dibanding dengan BJT, meskipun lebih rendah dari MOSFET. Dilain pihak, terminal keluaran IGBT mempunyai sifat yang menyerupai terminal keluaran BJT. Dengan kata lain, pada saat keadaan menghantar, nilai resistansi dari IGBT sangat kecil, hampir sama dengan RON pada BJT.
Kendali Loop Tertutup Terdapat tiga macam aksi kendali yaitu: Proporsional (P), Integral (I) dan Deferensial (D). Dari ketiganya inilah kemudian digabungkan menjadi aksi kendali PI, PD atau PID tergantung dari kebutuhan sistem. Aksi kendali PID pada daerah kontinyu diberikan secara diagram blok seperti gambar 2. Persamaan outputnya diberikan sebagai berikut: t
u (t ) = Kp.e(t ) + Ki e(t ) dt + Kd .e(t ) ….(1) 0
Kp
e(t)
+ KD s
1.
2.
Pada saat tidak menghantar (off), impedansi saklar mempunyai tahanan yang besar sekali, mendekati nilai tak berhingga. Dengan kata lain arus bocor sangat kecil. Pada saat keadaan menghantar (on), impedansi saklar mempunyai tahanan menghantar sangat kecil. Ini akan mengakibatkan tegangan jatuh (Voltage Drop ) kecil dan kecepatan pensaklaran yang tinggi.
52
u(t)
+
KI S
Sumber Starr, p. 107 Gambar 2. Diagram Blok Aksi Kendali PID u(t) = output kendali PID e(t) = input kendali PID (biasanya sebagai error) Kp = penguatan aksi proporsional KD = penguatan aksi deferensial Ki = penguatan aksi integral Ketiga kendali tersebut mempunyai keunggulan dan kelemahan masing-masing, yaitu : Sifat kendali Proporsional adalah tanggapan keluaran mengikuti perubahan masukan cukup cepat, dan nilai keluaran tak pernah mencapai error = 0. Sifat kendali Integral adalah tanggapan keluaran lebih lambat, tapi nilai keluaran akhirnya akan mencapai error = 0. Sifat kendali Deferensial adalah tanggapan keluaran sangat cepat, tapi nilai ouput akhirnya = 0 dan error = input [Sulasno, 2006]. Dalam sistem kendali di industri ada dua jenis pengendali yang sering digunakan, yaitu: a. Kendali analog: pengendali ini menyajikan variabel-variabel dalam persamaan dengan besaran fisis yang kontinyu. Pengendali analog dapat didisain sedemikian rupa sehingga dapat berfungsi dengan baik sebagai pengendali tanpa menggunakan program. b. Kendali digital: pengendali ini bekerja hanya berdasarkan bilangan diskrit. Program merupakan suatu fungsi yang penting dalam
POLBAN
Sifat-sifat IGBT
+
kendali digital, sehingga sering digunakan untuk memecahkan persoalan-persoalan yang melibatkan operasi keseluruhan yang optimal dari plant di industri. Mikrokontroler ATMega 8535 ATMega8535 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran ADC internal dengan fasilitas 10 bit. Dalam mode operasinya, ADC ATMega8535 dapat dikonfigurasi, baik sebagai single ended input maupun differential input. Agar mikrokontroler dapat membaca besaran yang datang dari perangkat eksternal, sinyal analog analog tersebut harus dirubah dahulu menjadi sinyal digital, salah satunya dengan menggunakan rangkaian ADC (Analog Digital Converter). Parameter yang penting dari suatu ADC disamping waktu konversinya, yaitu resolusi. Resolusi adalah besaran analog terkecil yang masih dapat dikonversi menjadi sinyal digital. Besar resolusi ini tergantung dari jumlah bit dari ADC. Semakin banyak bit ADC, resolusi semakin kecil, dan proses konversi semakin teliti. 1 Besar resolusi, r Vref ....................................(2) 2n Dengan n = jumlah bit dari ADC Vref = Tegangan referensi ADC Jadi untuk ADC 10 bit, dengan tegangan referensi Vref = 5 Volt, didapat resolusi = 5 / 1024 V = 4,883 mV. blok diagram ADC dapat dilihat pada Gambar 3. di Secara bawah ini. ADC 10 bit
Input Analog
Y9 . . . Y0
Gambar 4. Bentuk Gelombang PWM Ton adalah waktu tegangan keluaran berada pada posisi tinggi (baca: high atau 1) Dan, Toff adalah waktu tegangan keluaran pada posisi rendah (baca: low atau 0). Ttotal adalah waktu satu siklus atau penjumlahan antara Ton dengan Toff, dikenal dengan ―periode satu gelombang‖.
T
T
D
on
on
T
off
................................(3)
T ……………….......... (4) T on
T on T off
total
Tegangan keluaran dapat bervariasi dengan duty cycle dan dapat dirumuskan sebgai berikut,
V V
T T
out
on
xV in
out
sehingga
Dx T on
................................................................ (5)
total
Dari rumus diatas dapat disimpulkan bahwa tegangan keluaran dapat diubah-ubah secara langsung dengan mengubah nilai Ton.
POLBAN
II. METODE PENELITIAN
Output digital
Secara diagram blok perangkat keras yang akan diberikan pada gambar 5 dibawah
3. Diagram Blok ADC
Duty Cycle
Mikrokontroler
12V
Pengaturan lebar pulsa modulasi atau PWM merupakan salah satu sistem yang sering digunakan dalam system kendali (ontrocl system) saat ini. Pengaturan lebar modulasi dipergunakan di berbagai bidang yang sangat luas, salah satunya adalah: kendali kecepatan, kendali system tenaga, pengukuran atau instrumentasi dan telekomunikasi. . Modulasi lebar pulsa (PWM) diperoleh dengan bantuan sebuah gelombang kotak yang siklus kerja (duty cycle) gelombang dapat diubah-ubah untuk mendapatkan sebuah tegangan keluaran yang bervariasi yang merupakan nilai rata-rata dari gelombang tersebut. Lebih jelasnyadapat di lihat pada gambar 4. 53
T
Siklus kerja atau duty cycle sebuah gelombang di definisikan sebagai,
dibuat
Gambar
total
POT.1
V1
ADC
e
+
PWM
Tegangan DC
Power Daya
IC Driver
IGBT
PLANT
Vo
-Set point
ADC
V2
Penguat Op-amp
Vo
Gambar 5. Diagram Blok Sistem Rangkaian yang dibuat meliputi : sistem minimum ATMega 8535 yang akan diprogram sebagai pengendali Proporsional untuk mengendalikan tegangan 12V searah yang output dari mikrokontroler berupa gelombang PWM, rangkaian power daya yang terdiri dari IC driver dan
komponen IGBT sebagai power daya dengan input gelombang PWM diubah menjadi tegangan searah, arus maksimum 10 amper. Plant berupa lampu halogen 12V/100W digunakan untuk beban output IGBT. Sifat penelitian ini lebih banyak menggunakan metoda eksperimen, dengan prosedur: (1) menguji modul yang dari IC driver dan power daya IGBT kapan output terdiri IGBT akan ON atau OFF untuk input tegangan searah ataupun input pulsa. (2) Menguji program PWM dan program ADC yang sudah terdapat pada IC atmega 8535 dengan output diukur menggunakan multimeter digital dan bentuk gelombangnya dilihat menggunakan osiloskop (3) Menguji program system yang terdiri dari digital; ADC dan PWM, tegangan output tegangan searah diukur menggunakan multimeter digital dan ripplenya diukur dengan osiloskop. Hasil pengujian pada tabel.1 dapat digunakan untuk membuat rumus hubungan antara output adc dengan duty cycle .
Tabel: 1 2 1 NO Out adc (des ) 01 104 02 111 03 115 04 120 124 05 06 130 07 135 08 140 09 143 10 11 12 13
3
4
Duty Cycle
DCx 255
1.00 0.94 0.91 0.90 0.88 0.87 0.85 0.82 0.80 0.79 0.78 0.77 0.75
255 239.70 232.05 229.50 224.40 222.85 216.75 209.10 204.00 201.45 198.90 196.35 191.25
151 156 161 167
y
y
1
x)
m( x
1
y – 255 = - 1.012 ( x – 104 ) y = 149.8 – 1.012 x ali = 149 – 1*z Rancangan Flowchart: Sebelum dibuat programnya maka dirancang terlebih dahulu flowchart-nya, yaitu seperti Gambar 6. FLOW CHART
MULAI
Inisialisasi dan Deklarasi: Ali, x, y, z.
Menentukan sklala Clock, Inisialisasi ADC, PWM, Interupsi, Menentukan PORT yang digunakan sebagai I/O
Aktipkan ADC dan PWM
X=baca adc (0) Y=baca adc (1)
Z=x-y
POLBAN
ali=149-1*z OCR1A=ali
Dengan persamaan garis lurus didapat
NO
Rumus :
y y 2
m( x2
1
x) 1
Mencari koefisien arah dengan rumus:
INTERUPSI EKSTERNAL 1 = STOP STOP= 1
YES STOP
y y x x
m
2
1
2
1
Gambar 6. Flow Chart
Dimana:
x
1
x
2
Jadi :
m
54
104dan y
1
167dan y
2
255
191.25
191.25 255 167 104
1.012
IV. STUDI KASUS DAN ANALISIS 4.1 Pengujian alat tanpa kendali Pengujian ini tanpa menggunakan mikrokontroler dan rangakaian umpan balik, apabila sumber tegangan tanpa maka tegangan outputnya berubah dan tidak diatur stabil.Hasil pengujiannya dapat dilihat pada tabel.2. 2. Hasil pengujian tanpa kendali Tabel No Tegangan Tegangan pd Tegangan IGBT Sumber(Vs) Beban(Vbbn) ( Volt ) ( Volt ) ( Vc ) 1 14.0 10.8 3.2 2 14.5 11.3 3.2 3 15.0 11.8 3.2 4 15.5 12.3 3.2 5 16.0 12.6 3.4 6 16.5 13.2 3.3 7 17.0 13.8 3.2 8 17.5 14.3 3.2 9 18.0 14.8 3.2 10 18.5 15.2 3.3 11 19.0 15.7 3.3 12 19.5 16.1 3.4 13 20.0 16.6 3.4 Dari data diatas didapat bahwa: Apabila tegangan input(tegangan sumber) diatur dari 14V sampai 20V diperoleh tegangan beban (tegangan output) adalah 10.8V sampai 16.6V, jadi apabila tegangan naik didapat tegangan output juga naik. sumber 4.2 Pengujian alat dengan kendali Secara diagram blok dapat dilihat pada gambar 6, output dari plant diumpankan ke input mikrokontroler . Selisih input dengan output diumpankan untuk merubah besarnya Duty Cycle, hasil dari pengujian dapat dilihat pada tabel 3 dibawah.
Dari tabel 3 didapat bahwa: Apabila tegangan input(tegangan sumber) diatur dari 14V sampai 15V diperoleh tegangan beban (tegangan output) kurang dari 12V dan terjadi kesalah rata-rata 0,2V. Besarnya input diatur dari 15,5V sampai 18,5V maka tegangan output stabil 12V.Input dinaikkan lagi dari 19V sampai 20V , tegangan output pada plant lebih dari 12V dan terjadi kesalah rata-rata 0,13V. V. KESIMPULAN Setelah direalisasikan sistem secara hardware dan software serta dilakukan pengujian, pengukuran maka dapat disimpulkan sbb: 1. Tegangan output akan stabil 12Volt apabila sumber tegangannya berubah dari 15,5V sampai 18,5V. 2.
Pada sistem control menggunakan ATmega 8535 diperoleh output yang stabil walaupun sumber tegangan searah berubah-ubah.
. DAFTAR PUSTAKA [1]. Bejo, Agus.,2008, ― C & AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontoler ATMega8535”, Graha Ilmu, Yogyakarta. [2]. Utami,E., Sukrisno., 2005,‖10 Langkah Belajar Logika dan Algoritma menggunakan Bahasa C dan C++ di GNU/linux‖, Andi Offset, Jogyakarta. [3]. Widodo, R.J., 1998, ―Sistem Kontrol : Dasar-dasar‖, jilid 1, PT Prenhallindo, Jakarta. [4]. Wang,L.X.,1997,‖A Course in Fuzzy Systems and Control”, Prentice Hall, New Jersey. [5]. Wardhana,Lingga.,2000,‖Belajar Sendiri AVR Seri ATmega 8535simulasi hardware dan aplikasi‖, Andi Ofset, Jogyakarta.
POLBAN
Tabel 3. Hasil pengujian dengan kendali NO 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13
55
Vs (V) 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 16,5 17,0 17,5 18,0 18,5 19,0 19,5 20,0
ton (x50us) 3,5 3,4 3,2 3,1 3,0 2,9 2,8 2,7 2,6 2.6 2,5 2.4 2,4
Vbeban (Volt) 11,7 11,8 11,9 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12,0 12.0 12,1 12,1 12,2
DC (%) 100 97,1 91,4 88,6 85,7 82,9 80,0 77,1 74,3 74,3 71,4 68,6 68,6
