bab iv analisis rangkaian elektronik

Analisis Rangkaian Elektronik
BAB IV
ANALISIS RANGKAIAN ELEKTRONIK
4.1
Rangkaian Pengontrol
Bagian
pengontrol
sistem
kontrol
daya
listrik,
menggunakan
mikrokontroler PIC18F4520 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 30. Dengan
osilator yang digunakan adalah high speed kristal/ Resonator (HS) berfrekuensi
20 MHz. Pada rangkaian pengontrol ini terdapat dua buah push button yang
berfungsi untuk menstart/menstop aksi hasil pemograman dengan mengaktifkan
pin interrupt di pin RB0 (start/stop) dan untuk mereset program (MCLR).
Gambar 30. Rangkaian mikrokontroler PIC18F4520 (pengontrol)
Sedangkan
konfigurasi
penggunaan
pin-pin
mikrokontroler
untuk
implementasi sistem kontrol daya listrik dapat dilihat pada Tabel 5. Di antara pinpin tersebut terdapat pin yang berhubungan langsung dengan modul internal
Tugas Akhir 10203067
36
Analisis Rangkaian Elektronik
mikrokontroler. Oleh karena itu dalam perancangan, pin-pin tersebut digunakan
untuk pemakaian yang berkaiatan dengan operasi modul internal yang
bersangkutan.
Tabel 5. Konfigurasi pin-pin mikrokontroler
PORT
Pin
I/O
Rangkaian terhubung
A
A0
I
Rangkaian sistem sensor
B
B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7
I
Rangkaian Keypad
C1,C2,C3,C4,C5
O
Rangkaian Aktuator
C6,C7
O,I Rangkaian komunikasi serial
C
D
E
D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6,
D7
E0, E1, dan E2
O
O
Rangkaian
tampilan
LCD
tampilan
LCD
(data)
Rangkaian
(kontrol)
Port A selain sebagai I/O digital merupakan saluran input analog untuk
modul A/D converter internal PIC18F4520. Karenanya pin RA0 dipilih sebagai
input sinyal analog dari sensor arus setelah melalui rangkaian pengkondisi sinyal.
Pin RB1 hingga RB7 dipilih sebagai pin-pin yang terhubung ke rangkaian keypad
yang berfungsi untuk mendeteksi dan membaca sinyal input pada keypad yang
selanjutnya dikirimkan ke mikrokontroler. Pin RC1 hingga RC5 adalah pin
keluaran/output yang terhubung dengan rangkaian aktuator. Pin-pin tersebut
memberikan input pada driver triac untuk mengaktif/mengnon-aktifkan triac.
Sedangkan pin RC6 dan RC7 yang terhubung langsung dengan modul USART
digunakan untuk komunikasi serial melalui dekoder RS-232. Untuk menampilkan
huruf/angka pada tampilan LCD digunakan port D sebagai jalur data dan port E
sebagai jalur kontrol.
Tugas Akhir 10203067
37
Analisis Rangkaian Elektronik
4.1.1
ADC (A/D converter)
ADC
internal
PIC18F4520
memiliki
resolusi
10
bit.
Untuk
menyederhanakan proses komputasi dalam mikrokontroler, hanya 8 bit MSB dari
10 bit hasil konversi ADC yang diambil untuk merepresentasikan sinyal yang
masuk. Meskipun resolusi yang diperoleh lebih kecil dari resolusi maksimal ADC,
namun resolusi yang diperoleh masih setara dengan resolusi tegangan keluaran
dari sensor sehingga hasil tersebut masih dapat diterima. Data hasil konversi diset
untuk berformat rapat kiri (left justified) sehingga 8 bit MSB terletak pada register
ADRESH [3].
4.2
Rangkaian Sistem Sensor
Sensor merupakan suatu devais yang dapat merepresentasikan sebuah
besaran fisis kedalam besaran elektronik. Umumnya rangkaian sensor masih
belum dapat digunakan langsung untuk aplikas-aplikasi tertentu. Karenanya
diperlukan rangkaian tambahan yang disebut rangkaian pengkondisian sinyal.
Rangkaian sensor yang ditambahkan dengan rangkaian pengkondisian sinyal
sehingga output rangkaian tersebut dapat digunakan langsung pada aplikasi yang
diinginkan disebut dengan rangkaian sistem sensor.
4.2.1
Rangkaian sensor
Pada sistem kontrol daya listrik yang dirancang, digunakan sensor arus
dengan jenis current transducer. Sensor jenis ini menggunakan prinsip efek Hall
dalam mengukur arus. Desain dari rangkaian sensor tersebut ditunjukkan oleh
Gambar 31.
Tugas Akhir 10203067
38
Analisis Rangkaian Elektronik
Gambar 31. Rangkaian sensor
Cara kerja dari sensor ini adalah dengan mengalirkan arus, yang akan diukur
besarnya, melalui kawat yang meliliti inti besi. Sesuai dengan pernyataan H. C.
Oersted pada tahun 1820 bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan
magnet [7]. Maka pada inti besi akan timbul medan magnet (induksi magnet) yang
selanjutnya medan magnet tersebut akan menembus sensor efek Hall, UGN3503
yang berada ditengah-tengah gap pada inti besi, secara tegak lurus terhadap arus
yang timbul dari suplay tegangan pada sensor tersebut. Berdasarkan gaya Lorentz,
kawat berarus yang memotong garis-garis gaya medan magnet akan mendapat
gaya magnetik [7]. Gaya magnetik yang terjadi pada elemen sensor tersebut
menyebabkan elektron-elektron bergerak menuju tepi dan proton menuju tepi
yang berlawanan sehingga menimbulkan beda tegangan pada elemen sensor
(tegangan Hall) yang merupakan tegangan output dari sensor efek Hall. Tegangan
output tersebut mampu merespon arus baik arus AC maupun arus DC. Pada
keadaan B=0, dimana kawat tidak dialiri arus listrik, sensor efek Hall memiliki
tegangan output antara 2.25-2.75V (umumnya 2.5V). Selain itu respon output dari
sensor ini pun cukup linier, dimana dari hasil percobaan daya sebesar 15 watt
direpresentasikan kedalam tegangan 12mV dan daya 30 watt direpresentasikan ke
Tugas Akhir 10203067
39
Analisis Rangkaian Elektronik
dalam tegangan 24mV. Hubungan antara besarnya medan magnet, jumlah lilitan
dengan besarnya arus direpresentasikan oleh Persamaan 9.
B ~ 6.9nI
(9)
4.2.2 Rangkaian pengkondisian sinyal
Pada pengukuran arus kurang dari 1.3 ampere, tegangan output yang
dihasilkan sangat kecil (dalam mV). Selain itu tegangan output yang terbaca oleh
sensor merupakan tegangan AC yang masih memiliki nilai tegangan DC (2.25V2.75V). Agar sesuai dengan daerah masukan ADC yang menggunakan tegangan
referensi sebesar 5 volt, maka sinyal AC dari sensor perlu diperkuat dengan
ditambahkan rangkaian penguat instrumentasi [8]. Namun karena pada tegangan
output masih terdapat tegangan DC maka sebelum sinyal dikuatkan, tegangan DC
harus di hilangkan terlebih dahulu dengan menambahkan resistor variabel yang
disetting sehingga memiliki tegangan ~ 2.5V pada salah satu input rangkaian
penguat instrumentasi. Setelah dikuatkan maka selanjutnya adalah mengkonversi
arus AC menjadi arus DC dengan rangkaian AC to DC converter [8, 9]. Gabungan
rangkaian tersebut merupakan rangkaian pengkondisi sinyal (Gambar 32).
Rangkaian-rangkaian yang digunakan merupakan rangkaian yang berbasis op-amp
(operational amplifier) dengan tipe op-amp yang dipakai adalah TL082.
Agar output tegangan analog dari rangkaian pengkondisian sinyal tidak
melebihi tegangan referensi (5 volt) ADC pada mikrokontroler maka perlu
ditambahkan
rangkaian
pengkondisian
sinyal
tambahan
yang
mampu
mempresisikan input tegangan maksimum yang masuk ke mikrokontroler.
Tugas Akhir 10203067
40
Analisis Rangkaian Elektronik
Rangkaian pengkondisian sinyal tambahan tersebut terdiri dari sebuah resistor dan
dua buah diode yang dirangkaikan seperti pada Gambar 33.
Gambar 32. Rangkaian pengkondisian sinyal
Gambar 33. Rangkaian pengkondisian sinyal tambahan
Tugas Akhir 10203067
41
Analisis Rangkaian Elektronik
4.3
Rangkaian Driver + Aktuator
Sinyal yang dihasilkan oleh mikrokontroler tidak dapat langsung
diumpankan ke aktuator (triac) karena input digital mikrokontroler tidak dapat
memicu gate pada triac. Karenanya diperlukan driver yang mampu menghubung
mikrokontroler dengan triac. Driver triac yang digunakan dalam perancangan
sistem kontrol daya listrik ini adalah MOC3020. MOC3020 merupakan driver
triac yang bersifat optoisolator, elemen-elemen penyusunnya memiliki fungsi
seperti triac. MOC3020 didesain khusus untuk menghubungkan kontrol elektronik
dengan power triac untu mengontrol beban resistif dan beban induktif yang
beroperasi pada teganagan AC 115-240V. Rangkaian aktuator beserta drivernya,
MOC3020, ditunjukkan pada Gambar 34.
Gambar 34. Rangkaian driver + aktuator
4.4
Rangkaian Peraga LCD
Peraga LCD yang digunakan adalah tipe matrik yang dapat menampilkan
16 karakter sebanyak dua baris. Peraga ini digunakan untuk menampilkan
perintah, input set point dan output dari ADC. Selain itu peraga ini juga dapat
digunakan untuk mengakses menu dalam mengkonfigurasi sistem. Peraga LCD
terhubung ke mikrokontroler melalui jalur data yang lebarnya 8 bit (delapan buah
Tugas Akhir 10203067
42
Analisis Rangkaian Elektronik
pin) serta tiga buah pin untuk kontrol. Untuk jalur data menggunakan seluruh pin
port D pada mikrokontroler, sedangkan untuk jalur kontrol menggunakan port E
pada mikrokontroler. Selain itu peraga LCD memiliki beberapa pin lainnya tidak
terhubung pada mikrokontroler diantaranya pin +0 terhubung pada ground, pin +5
terhubung pada tegangan +5 volt (VCC), dan pin Cn terhubung pada
potensiometer. Pin Cn merupakan pin yang berfungsi untuk mengatur kekontrasan
tampilan pada peraga LCD. Kekontrasan tampilan pada peraga LCD tersebut
dapat diatur dengan menggunakan potensiometer yang terhubung pada pin Cn.
Rangkaian untuk peraga LCD diberikan pada Gambar 35.
Gambar 35. Rangkaian peraga LCD
4.5
Rangkaian Keypad
Pada sistem kontrol daya listrik, keypad memiliki fungsi sebagai pemberi
input (set point). Jenis keypad yang digunakan adalah keypad dengan tipe matriks
3x4 (12 tombol). Keypad ini memiliki tujuh buah pin pengontrol, 4 buah untuk
Tugas Akhir 10203067
43
Analisis Rangkaian Elektronik
baris dan 3 buah untuk kolom. Ke tujuh pin tersebut dihubungkan pada port B
mikrokontroler dan diberi pull-up melalui resistor ke +5V.
Cara kerja devais keypad ini adalah mengecek tombol yang ditekan dan
menerjemahkannya ke dalam angka, dimana pin-pin kolom keypad diberi logika 0
(low) secara bergantian. Saat pin kolom diberi logika 0, setiap pin baris pada
kolom tersebut diperiksa. Apabila terdapat nilai logika 0 pada salah satu barisnya
maka angka yang di tekan tersebut akan dikirimkan ke mikrokontroler dan
nilainya ditampilkan pada perga LCD. Rangkaian keypad ditunjukkan pada
Gambar 36.
Gambar 36. Rangkaian keypad
4.6
Rangkaian Komunikasi Serial
Sistem komunikasi yang disediakan dalam sistem kontrol daya listrik ini
adalah antarmuka serial melalui port COM pada komputer. Sistem antarmuka ini
dipilih karena sudah lazim digunakan serta ketersediaan modul EUSART dalam
Tugas Akhir 10203067
44
Analisis Rangkaian Elektronik
PIC18F4520 yang memudahkan implementasinya. Keberadaan sistem antarmuka
serial ini akan sangat berguna untuk pengawasan keberjalanan sistem yang
dikontrol. Dalam implementasinya sistem antarmuka serial ini menggunakan
konverter RS-232 yang menjembatani perbedaan level tegangan antara
mikrokontroler dengan port COM pada komputer. Rangkaian untuk komunikasi
serial dengan komputer diberikan pada Gambar 37.
Gambar 37. Rangkaian komunikasi serial
4.7
Rangkaian Catu Daya
Rangkaian sistem banyak menggunakan IC yang membutuhkan supplay
tegangan (VCC), karenanya diperlukan rangkaian catu daya. Rangkaian catu daya
yang didesaian adalah rangkaian dengan tegangan keluaran sebesar +5 Volt dan -5
Volt. Rangkaian catu daya terdiri dari komponen bridge yang berfungsi sebagai
penyearah tegangan AC dari PLN, LM7805 yang berfungsi sebagai regulator
tegangan dengan tegangan output sebesar +5 Volt, LM7905 (tegangan output -5
Volt), TIP3055, TIP2955, dioda, dan beberapa kapasitor. Rangkaian catu daya
ditunjukkan pada Gambar 38.
Tugas Akhir 10203067
45
Analisis Rangkaian Elektronik
Gambar 38. Rangkaian catu daya
4.8
Rangkaian ICSP
Rangkaian ICSP (In-Circuit Serial Programming) merupakan rangkaian
programer yang berfungsi untuk mendownload program ke mikrokontroler.
Rangkaian ICSP
dilengkapi dengan port serial untuk menghubungkan
mikrokontroler dengan komputer. Salah satu jenis software yang dapat membantu
mendownloadkan program dalam file heksadesimal (*.Hex) dari komputer ke
mikrokontroler adalah WinPIC. Rangkaian ICSP ditunjukkan pada Gambar 39.
Tugas Akhir 10203067
46
Analisis Rangkaian Elektronik
Gambar 39. Rangkaian ICSP
Tugas Akhir 10203067
47