Beban Elektronik Untuk Pengujian Regulasi Catu Daya

BAB II
LANDASAN TEORI
2.1. MOSFET
MOSFET atau Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor merupakan salah
satu jenis transistor efek medan (FET). MOSFET memiliki tiga pin yaitu gerbang (gate),
penguras (drain), dan sumber (source). MOSFET adalah piranti terkendali tegangan dan
memiliki arus masukan yang sangat kecil, dalam orde nanoampere. Ada dua jenis MOSFET
yaitu depletion dan enhancement. Yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah MOSFET
jenis enhancement. MOSFET enhancement terbagi menjadi dua tipe yaitu tipe p dan tipe
n[1][4].
Gambar 2.1. simbol MOSFET enhancement tipe n dan tipe p
Tegangan VGS minimum yang menyebabkan adanya kanal penghubung antara drain
dan source disebut tegangan ambang (threshold voltage), Vth. Vth untuk MOSFET kanal-n
adalah positif. Harga Vth dikendalikan pada saat pembuatan. Arus akan mengalir dari drain
ke source jika tegangan pada kaki gate lebih besar dari tegangan ambang.
MOSFET memiliki 3 daerah operasi yaitu cut-off , triode (linear), dan saturasi.
3
Gambar 2.2. Karakteristik MOSFET
MOSFET berada pada daerah cut-off jika VGS < Vth . Pada daerah Cut-off MOSFET
tidak dalam keadaan on karena tegangan gate lebih kecil dari tegangan ambang, sehingga
tidak terbentuk kanal, dan arus tidak dapat mengalir (ID = 0).
MOSFET berada pada daerah triode saat VGS ≥ Vth dan VDS < VGS – Vth . Pada daerah
triode MOSFET dapat dianggap sebagai resistor terkontrol tegangan (voltage controlled
resistor), tegangan gate akan mengontrol resistansi antara drain dan source (RDS).
(2.1)
Pada daerah triode, pada awalnya gate diberi tegangan hingga terbentuk kanal. Apabila
drain diberi tegangan yang kecil, maka elektron akan mengalir dari source menuju drain
atau arus akan mengalir dari drain ke source. Selanjutnya kanal tersebut akan bertindak
sebagai suatu tahanan, sehingga arus drain (ID) akan sebanding dengan tegangan drain.
Apabila tegangan drain terus ditingkatkan hingga tegangan pada gate menjadi netral,
lapisan inversi saluran pada sisi drain akan hilang, dan mencapai suatu titik yang disebut
titik pinch-off. Pada titik pinch-off ini merupakan permulaan dari daerah kerja saturasi.
Apabila melebihi titik ini, peningkatan tegangan drain tidak akan mengubah arus drain,
sehingga arus drain tetap (konstan).
MOSFET bekerja di daerah saturasi jika:
VGS ≥ Vth
4
VGD ≤ Vth
VDS ≥ VGS – Vth
Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enhancement’ bekerja pada daerah saturasi jika VGS
lebih besar dari Vth dan tegangan drain tidak lebih kecil dari tegangan gate melebihi Vth volt.
2.2. Operational Amplifier (Penguat Operasional)
Penguat operasional atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat
elektronika dengan coupling arus searah yang memiliki bati sangat besar dengan dua
masukan dan satu keluaran. Op-amp sebagian besar dibangun oleh transistor, satu Op-amp
terdiri dari sekitar 20 - 50 transistor. Op-amp non-ideal memiliki keterbatasan dalam bentuk
bati yang terbatas, bandwidth, resistansi masukan dan keluaran, common-mode rejection,
tegangan offset dan arus bias[2][5].
Operational Amplifier adalah penguat linier yang biasanya dikemas di dalam suatu IC
(Integrated Circuit). Satu IC bisa berisi satu atau empat Op-Amp biasanya.
Gambar 2.3 menunjukkan model internal untuk op-amp dasar. Op-amp memiliki dua
masukan dan satu keluaran. Masukan terdiri dari satu masukan non-inverting ditandai
dengan tanda plus dan satu masukan inverting ditandai dengan tanda minus.
Bila menggunakan model op-amp ideal, impedansi masukan Rin dianggap besar tak
berhingga dan impedansi keluaran Ro menjadi nol. Pada kenyataannya, Rin dapat mencapai
beberapa megaohm dan Ro beberapa puluhan ohm.
Gambar 2.3 Model internal op-amp
5
2.2.1. Non-Inverting Amplifier
Non-inverting amplifier atau penguat tak membalik merupakan salah satu penguat Opamp
dengan sinyal masukan dipasang pada terminal non-inverting sehingga keluaran
penguat menjadi positif. Jadi masukan penguat non-inverting memiliki fase yang sama
dengan keluarannya. Rangkaian penguat non-inverting ditunjukkan pada gambar 2.4[6].
Gambar 2.4. Rangkaian penguat non-inverting
Syarat ideal sebuah penguat adalah tidak ada arus yang mengalir pada terminal masukan.
Dan V+ sama dengan V-. dari rangkaian diatas dapat kita ketahui rumus penguat sebagai
berikut :
(2.2)
Dimana
, sehingga didapat penguatan tegangan sebagai berikut:
(2.3)
Jika kita membuat nilai resistor umpan balik sama dengan nol (
sama dengan tak hingga (
dan resistor
), maka rangkaian diatas akan memiliki penguatan tetap 1,
karena semua tegangan keluaran akan diberikan ke terminal inverting. Penguat noninverting yang seperti ini disebut juga unity gain buffer atau voltage follower.
2.2.1.1. Op-Amp sebagai Voltage Follower (Pengikut Tegangan)
Voltage follower atau yang sering disebut Buffer merupakan rangkaian aplikasi Op-amp
yang menghasilkan tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan. Pengikut tegangan
biasanya didefinisikan sebagai rangkaian dengan penguatan satu. Diantara masukan dan
6
keluaran terdapat isolasi impedansi. Keluaran dari op amp terhubung pada masukan
inverting dan tegangan masukan dihubungkan pada masukan non inverting. Fungsi dari
rangkaian Voltage follower pada peralatan elektronika adalah sebagai penyangga, dimana
prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi penguatan tegangan. Rangkaian Voltage
follower yang dibangun dari sebuah operasional amplifier (Op-Amp), dapat dibuat dengan
sangat sederhana[6].
Gambar 2.5 Rangkaian voltage follower
Dengan menghubungkan jalur input inverting ke jalur output operasional amplifier
(op-amp) maka rangkaian Voltage follower pada gambar diatas akan memberikan
kemampuan mengalirkan arus secara maksimal sesuai kemampuan maksimal operasional
amplifier (op-amp) mengalirkan arus output.
Dengan metode hubung singkat antara jalur input inverting dan jalur output
operasional amplifier (op-amp) maka diperoleh perhitungan matematis sebagai berikut.
(2.4)
Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av) sebagai berikut:
(2.5)
Dari persamaan diatas terlihat bahwa rangkaian operasional amplifier diatas tidak
memiliki faktor penguatan tegangan (Av = 1) atau tidak terjadi penguatan tegangan.
Rangkaian buffer dengan operasional amplifier (op-amp) seperti terlihat pada gambar diatas
menghasilkan penguatan + 1.
Rangkaian ini sangat menguntungkan karena kita dapat memperoleh suatu penguat
dengan hambatan input (impedansi input) yang sangat tinggi dan dengan hambatan output
(impedansi output) sangat rendah, yaitu mendekati kondisi ideal. Sehingga penguat
operasional dengan konfigurasi seperti pada gambar diatas berfungsi sebagai penyangga
7
(buffer) dengan penguatan = 1. Aplikasi rangkaian buffer baik yang dibuat dari penguat
transistor maupun penguat operasional (Op-Amp) pada umumnya digunakan sebagai
stabiliser sinyal.
2.3. Mikrokontroler ATMega32
Mikrokontroler ATMega32 termasuk mikrokontroler keluarga AVR yang dibuat
Atmel Corporation[7]. Mikrokontroler ATMega32 mempunyai fasilitas-fasilitas sebagai
berikut :
1. Saluran I/O ada 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D.
2. ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 channel.
3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan
4. dua buah timer/counter 8 bit, satu buah timer/counter 16 bit
5. Internal SRAM sebesar 2 KB.
6. Memori Flash sebesar 32 KB dengan kemampuan Read While Write.
7. 4 channel PWM.
Gambar 2.6 Konfigurasi pin ATMega32
Konfigurasi pin ATMega32 pada gambar 2.5 dapat dijelaskan sebagai berikut :
1. VCC merupakan pin masukan catu daya
2. GND sebagai pin ground
8
3. Port A (PAO..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat deprogram sebagai pin
dari ADC.
4. Port B (PBO..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsinya sebagai,
timer/counter, komparator analog, dan SPI.
5. Port C (PCO..PC7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsinya sebagai, TWI,
komparator analog, dan timer osilator.
6. Port
D
(PDO..PD7)
merupakan
pin
I/O
dua
arah
dan
fungsinya
sebagai,komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.
7. Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset microcontroller.
8. XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin clock eksternal. Pada microcontroller
membutuhkan sumber (clock) agar dapat mengeksekusi instruksi yang ada di
memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat microcontroller
tersebut.
9. AVCC sebagai pin tegangan untuk ADC.
10. AREF merupakan pin masukan referensi ADC.
2.4. Sensor suhu LM35
Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk
mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki
keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang
lain, LM35 juga mempunyai linieritas yang tinggi sehingga tidak memerlukan penyetelan
dari luar atau pengkalibrasian[8].
Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan
kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan
ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini berarti LM35
mempunyai kemampuan menghasilkan panas (self-heating) dari sensor yang dapat
menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah yaitu kurang dari 0,5 ºC pada suhu 25 ºC .
9
Gambar 2.7. Sensor suhu LM35
Gambar diatas menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak bawah. 3
pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai
sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran
atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan
operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini
akan naik sebesar 10 mV setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai
berikut :
VLM35 = Suhu* 10 mV
(2.6)
IC LM 35 ini tidak memerlukan pengkalibrasian atau penyetelan dari luar karena
ketelitiannya sampai lebih kurang seperempat derajat celcius pada temperature ruang.
Jangka sensor mulai dari – 55°C sampai dengan 150°C, IC LM35 penggunaannya sangat
mudah, difungsikan sebagai kontrol dari indicator tampilan catu daya terbelah. IC LM 35
dapat dialiri arus 60 μ A dari supplay sehingga panas yang ditimbulkan sendiri sangat
rendah kurang dari 0 ° C di dalam suhu ruangan.
Untuk mendeteksi suhu digunakan sebuah sensor suhu LM35 yang dapat
dikalibrasikan langsung dalam C (celcius), LM35 ini difungsikan sebagai basic temperature
sensor.
Adapun keistimewaan dari IC LM 35 adalah :

Kalibrasi dalam satuan derajat celcius.

Lineritas +10 mV/ º C.

Akurasi 0,5 º C pada suhu ruang.

Range +2 º C – 150 º C.

Dioperasikan pada catu daya 4 V – 30 V.

Arus yang mengalir kurang dari 60 μA
10
2.5. Hall Effect Sensor
Hall effect sensor atau sensor Efek-Hall dirancang untuk merasakan adanya objek
magnetis dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus
menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan frekuensinya, sensor jenis
ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan.
Gambar 2.8. Cara kerja sensor efek hall
Prinsip kerja sensor ini adalah dengan memanfaatkan fenomena efek Hall. Efek Hall
ini didasarkan pada efek medan magnetik terhadap partikel bermuatan yang bergerak. Ketika
ada arus listrik yang mengalir pada divais efek Hall yang ditempatkan dalam medan magnet
yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah
satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz
yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi divais tersebut
disebut potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik
yang melalui divais.
Aplikasi utama sensor efek Hall adalah sebagai sensor posisi dan kecepatan baik linier
maupun anguler, dan untuk pengukuran arus listrik tanpa kontak. Kelebihan dari sensor efek
Hall adalah struktur yang simpel dan karakteristik yang bagus dalam teknologi fabrikasi
mikro. Divais Hall mudah difabrikasi dengan teknologi CMOS dan pengkondisi sinyal
elektronik dapat langsung diintegrasikan dengan divais Hall. Kekurangan sensor ini adalah
nilai tegangan offset yang tinggi pada keluaran divais. Penyebab offset ini adalah geometri
non-simetrik dari divais karena lapisan yang tidak lurus pada proses fabrikasi, defek
permukaan, dan variasi hambatan kontak. Nilai dari tegangan offset juga dipengaruhi oleh
suhu dan stress divais.
11
2.6. Digital to Analog Converter menggungakan Pulse Width Modulation (PWM DAC)
DAC digunakan mengkonversi data digital ke tegangan analog (atau arus). Secara
fungsional, DAC memiliki n digital jalur input dan 1 output baris yang menghasilkan
tegangan analog atau arus. Output analog sebanding dengan jumlah dari input digital.
Banyak aplikasi embedded mikrokontroler memerlukan generasi sinyal analog[9].
PWM ( Pulse Width Modulation) adalah salah satu teknik modulasi dengan mengubah
lebar pulsa (duty cylce) dengan nilai amplitudo dan frekuensi yang tetap. Satu siklus pulsa
merupakan kondisi high kemudian berada di zona transisi ke kondisi low. Lebar pulsa PWM
berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Duty Cycle
merupakan representasi dari kondisi logika high dalam suatu periode sinyal dan di nyatakan
dalam bentuk (%) dengan range 0% sampai 100%, sebagai contoh jika sinyal berada dalam
kondisi high terus menerus artinya memiliki duty cycle sebesar 100%. Jika waktu sinyal
keadaan high sama dengan keadaan low maka sinyal mempunyai duty cycle sebesar 50%.
Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap,
namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan
amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal PWM memiliki frekuensi
gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0% hingga 100%
Gambar 2.9. Sinyal PWM
Pulse Width Modulation (PWM) teknik dapat digunakan dengan mudah untuk
membuat DAC, terutama karena banyak dari anggota keluarga prosesor AVR dilengkapi
dengan on-chip PWM. Dalam PWM, sinyal digital dari frekuensi tetap dihasilkan. Lebar
pulsa sinyal akan berubah sesuai dengan kebutuhan. Dengan menggunakan low-pass filter
pada keluaran gelombang PWM kita akan memperoleh tegangan DC.
12