Perancangan dan Pembuatan Modul

Perancangan dan Pembuatan Modul Pengontrolan Suhu
Menggunakan Mikrokontroler ATMEGA-16 Sebagai Penunjang
Praktikum Dasar Konversi Energi Listrik
Titik Nurhayati1)Harmini2)
1)JurusanTeknikElektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang
50196,email:[email protected]
2)JurusanTeknikElektro F a k u l t a s T e k n i k U S M ,Jl.Soekarno – Hatta Tlogosari Semarang
50196,email:[email protected]
Abstrak – Heater is often used in daily life. The
principle of heater is to convert electrical energy into
heat energy. Control of the temperature adjusted to
the load that be used. Unstable temperature setting
cause the performance of the heater system is not
working optimally. In this project will be designed
modules for controlling the temperature in laboratory
scale. The purpose of this project to control the heater
temperature is adjusted to the load and keep the
temperature stable. The method of temperature
control using the controlling RMS AC voltage.
Temperature control module circuit consist of four
main parts, they are DS1822 sensor circuit, DAC
MAX518 circuit, TRIAC circuit and TCA 785 circuit.
The test result demonstrated that the DS1822 has an
accuracy of 99.62% compared to measurement using
a thermometer, DAC MAX518 circuit has achieved
99.28% accuracy wit h the error measurement of
0.72% while the heater driver control circuit using
RMS AC voltage control and delay angle have a
10.77% error.
Keyword : Heater, RMS AC Controller, DS1822
Sensor, TCA 785 circuit
1.PENDAHULUAN
Heater atau alat pemanas banyak digunakan
pada perangkat elektronik yang sering dipakai untuk
memenuhi kebutuhan sehari-hari. Peralatan tersebut
antara lain setrika, pemanas air, pemanas pada
akuarium agar suhu dalam air tetap terjaga, alat
pemagang roti, inkubator dan lain sebagainya. Prinsip
kerja dari alat pemanas adalah mengkonversikan
energi listrik menjadi energi panas. Pada peralatan
pemanas tertentu diperlukan pengaturan terhadap suhu
panas yang dihasilkan oleh peralatan tersebut,
sehingga perlu adanya pengontrolan terhadap suhu
sesuai dengan kebutuhan. Pengaturan suhu dari
peralatan tersebut masih bersifat manual sehingga
suhu yang dihasilkan tidak stabil dan tidak sesuai
dengan setting point dari nilai suhu yang diinginkan.
Pengaturan suhu yang tidak stabil dapat menyebabkan
kinerja dari sistem pemanas tidak bekerja dengan
maksimal.
Pada penelitian ini akan dirancang dan dibuat
modul praktikum untuk pengontrolan suhu pada
pemanas. Modul pengontrolan suhu bertujuan untuk
mengendalikan suhu yang diinginkan sesuai setting
point serta menjaga suhu tetap stabil. Perancangan dan
pembuatan modul pengontrolan suhu ini digunakan
sebagai penunjang praktikum Dasar Konversi Energi
Listrik dan Elektronika Daya. Perancangan dan
pembuatan pengontrolan suhu dilakukan dengan
menggunakan metode pengontrolan tegangan AC
RMS dan mikrokontroller ATMEGA16 untuk
mengatur tegangan kontrol pada heater. Masukan dari
sistem kontrol suhu berasal dari pemanas yang
dideteksi dengan sensor suhu sehingga menghasilkan
sinyal keluaran dalam bentuk analog, kemudian sinyal
tersebut dikonversikan dalam bentuk sinyal digital
menggunakan konverter ADC (Analog Digital
Converter) sebagai sinyal masukan kemikrokontroller.
2.TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kontrol Tegangan AC ke AC (Alternating
Current)
Rangkaian kontrol tegangan AC (Alternating
Current) gelombang penuh satu fasa dapat dibangun
dengan menggunakan dua SCR atau satu buah
TRIAC. Daya AC (Alternating Current) yang
disalurkan ke beban dapat dikontrol pada kedua sisi
setengah perioda positif maupun negatif, yaitu dengan
memvariasi sudut picu ' ' .Harga-RMS dari
tegangan beban dapat berubah tergantung dari variasi
sudut picu ' ' .
Kontrol teganganAC (Alternating Current)
gelombang penuh satu fasa yang terhubung ke beban
resistif masing-masing diperlihatkan pada Gambar1.
Rangkaian ini dapat mengontrol daya AC (Alternating
Current) yang akan disalurkan ke beban dari dua arah
setiap setengah perioda yang berbeda, yaitu dengan
melakukan pengontrol posisi dari sudut picu ' ' .
DayaAC (Alternating Current) dapat dikontrol sesuai
dengan kebutuhan beban. Oleh karena itu kontrol
tegangan AC (Alternating current) gelombang penuh
satu fasa sering disebut juga sebagai kontrol dua arah
(bi-directional controller). Gambar 1 menunjukkan
kontrol tegangan AC (Alternating Current) gelombang
penuh satu fasa menggunakan TRIAC.
Gambar 1. Kontrol tegangan AC gelombang
penuh satu fasa menggunakan TRIAC[12][13]
2.2. Karakteristik Kontrol Tegangan AC
(Alternatinf Current) Beban Resistif
Karakteristik kontrol tegangan AC (Alternating
Current) ditunjukkan dengan hubungan antara
tegangan RMS keluaran V0(RMS) terhadap sudut picu.
Berdasarkan Gambar 1, harga RMS (Root Mean
Square) dari tegangan keluaran bebab dapat dicari
dengan Pers 1.
VO2 RMS   V 2 L RMS  
1
2
2
 v d  t 
2
(1)
L
0
Untuk kontrol tegangan AC (Alternating
Current) gelombang penuh dapat dicari dengan
periode waktu pulsa keluaran adalah π rad karena
bentuk gelombang tegangna keluaran terdiri dari
setengah periode simetris positif dan negatif.
Sehingga, tegangan keluaran RMS dapat ditentukan
dengan pers. 2 sampai Pers.6.

V 2 L RMS  
1
Vm 2 sin 2  t.d t

 0
V 2 L RMS  
1
2
2
v
2
L
(2)
.d  t 
(3)
0
Dimana:
vL  vO  Vm sin  t ;untuk  t   to  dan
 t      to 2
Sehingga:
VL2 RMS  

2
 (4)
1 
2
2
  Vm sin  t  d  t    Vm sin  t  d  t  
2 
 

VL RMS   VS
dimana
VS 
Vm
2
1
sin 2 
    


2 

Harga-RMS
(5)
dari
sumber
tegangan masukan.
Berdasarkan Pers.5 dapat di ketahui Karakteristik
kontrol tegangan AC seperti ditunjukkan Gambar 2.
Gambar 2 Karakteristik Kontrol Tegangan-AC
(Alternating Current) Gelombang Penuh Satu
Fasa[12][13]
b. Rangkaian TCA 785
Rangkaian penyulutan yang digunakan untuk
memicu kerja dari triac adalah IC TCA785. Gambar 3
menunjukkan blok diagram dan prinsip kerja dari IC
TCA 785. Siyal sinkron dari tegangan masukan
dihubungkan dengan pin 5 (Usync) melalui resistor.
Zero detector akan menentukan titik nol dan disimpan
kedalam memori sinkron. Detektor ini kemudian akan
mengendalikan sinyal gigi gergaji dengan frekuensi
sesuai tegangan sinkronisasi. Kapasitor C10 dan C9
akan menentukan kemiringan dari gelombang gigi
gergaji yang dihasilkan.
Gelombang gigi gergaji akan dibandingkan
dengan tegangan referensi (U11) dengan rangkaian
comparator
(pembanding).
Sinyal
keluaran
comparator diteruskan kedalam rangkaian logic.
Bila tegangan referensi pada U11 kecil atau bernilai
nol maka sudut penyulutannya nol. Pulsa pentrigeran
dapat digeser secara berkelanjutan dengan sudut fase
antara 00 – 1800 dengan mengatur tegangan
referensi. Pin 14 menghasilkan pulsa triger yang
akan akan diteruskan ke triac melalui optoisolator
triac yang akan memicu pulsa setengah gelpmbang
positif. Pin 15 akan menghasilkan pulsa picu yang
akan digunakan untuk memicu pulsa setengah
gelombang negatif. Pada keluaran Q1 dan Q2 akan
diperoleh pulsa positif dengan lebar pulsa sekitar 30
µs untuk setiap setengah cycle dari tegangan
sumbernya. Lebar pulsa dapat diatur dengan
mengubah nilai kapasitor C12. Pulsa keluaran
negatif dihasilkan pada pin 2 dan pin 4 yaitu Q1 dan
Q2.
dengan besarnya sudut picu tau sudut penyulutan.
Gambar 5 menunjukkan rangkaian TCA 785.
Gambar 5. Rangkaian TCA 785
Gambar 3. Blok diagram dan prinsip kerja rangkaian
TCA 785[8]
3.HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Blok diagram Pengontrolan Suhu
Gambar 4 menunjukkan blok diagram
perancangan hardware sistem pengontrolan suhu
heater dengan sistem kontrol tegangan AC RMS.
RS232
Laptop
Mikro
kontrol
ler
ATME
GA 16
3.2.2.
Rangkaian TRIAC
Triac dirancang menggunakan Q4004
karena triac digunakan untuk switching daya heater.
Optotriac MOC 3010 dipasang sebelum daya masuk
ke triac, yang berfungsi untuk memisahkan
rangkaian tegangan rendah dan rangkaian tegangan
tinggi. Gambar 6 menunjukkan rangkaian Triac
Driver
Heater
Heater
Gambar 6. Rangkaian Triac
Sensor
Suhu
3.2.3.
Gambar 4. Blok diagram perancangan sistem
pengontrolan suhu heater dengan sistem kontrol
tegangan AC RMS.
3.2. Perancangan Driver Heater
Rangkaian driver heater berfungsi untuk
mengatur besar kecilnya daya yang menyuplai heater
sesuai dengan keluaran dari logika kontroler.
Pengaturan daya heater dilakukan dengan mengatur
tegangan RMS yang masuk ke heater. Perancangan
driver heater dalam sistem ini menggunakan kontrol
tegangan RMS melalui triac. Sudut picu triac diatur
menggunakan keluaran pulsa rangkaian TCA785,
sedangkan untuk mengatur pulsa keluaran rangkaian
TCA785 digunakan rangkaian DAC (Digital to
Analog Converter) yang diatur oleh mikrokontroller
berdasarkan keluaran logika dari kontroller.
Perancangan driver heater secara keseluruhan terdiri
dari rangkaian TCA785, rangkaian DAC dan
rangkaian triac.
3.2.1. Rangkaian TCA 785
Rangkaian TCA 785 berfungsi sebagai
pengatur tegangan AC sinus yang akan disupply ke
beban AC resistif, dalam hal ini adalah heater. Prinsip
kerja dari rangkaian TCA adalah menghasilkan pulsa
yang akan digunakan untuk memicu TRIAC sehingga
menghasilkan tegangan AC yang berubah-ubah sesuai
Rangkaian DAC MAX518
DAC dibangun menggunakan IC MAX518
dimana terdapat 2 channel DAC dengan tegangan
keluaran DAC 0 s/d Vcc (+5V). Keluaran DAC
channel 0 dari MAX518 digunakan untuk mengatur
keluaran sinyal pulsa dari TCA785. Sudut picu
keluaran IC TCA785 (pin 14 dan pin 15) dapat diatur
mulai dari 0o s/d 180oC. Pengaturan sudut dilakukan
pada pin 11 (control voltage). Tegangan yang masuk
ke pin 11 adalah 0 s/d tegangan puncak segitiga pada
pin 10 (sekitar 15 volt). Dengan kondisi ini maka
keluaran DAC channel 0 yang semula 0 s/d 5 Volt
harus dinaikkan menjadi 0 s/d 15 V dengan
menggunakan rangkaian non inverting amplifier.
Perencanaan DAC ini menggunakan noninverting amplifier dengan desain sebagai berikut:
VAwal = 5 V
VAkhir = 15V
R4
= 10kΩ
Besarnya R3 dicari dengan menggunakan Persamaan
6.
= 1+
15 = 1 +
10
15
= 1+
5
10
= 20
.
.5
(6)
Gambar 7. Rangkaian DAC MAX518
3.3.
Perancangan Sensor Suhu DS1822
Rangkaian DS1822 merupakan rangkaian
sensor suhu, rangkaian sensor suhu dalam sistem ini
ditunjukkan pada gambar 8.
Gambar 8. Rangkaian DS1822
3.4.
Hasil Pengujian
Rangkaian Sensor
DS1822
Modul rangkaian suhu DS 1822 digunakan
sebagai
pembaca suhu (sensor suhu) dari
lingkungan dan dikonversi menjadi data digital yang
bisa dibaca oleh mikrokontroller secara digital.
Modul ini berbasis IC DS1822 yang merupakan
digital
thermometer
produk
dari
dallas
semiconductor (Maxim). Sensor ini memiliki range
o
o
pembacaan antara -40 C s/d +125 C. dengan
o
o
resolusi 0.5 C dan akkurasi ±1 C pada suhu
ruangan. Sensor ini membutuhkan tegangan
supply +5V dan Komunikasi untuk membaca suhu
dari sensor ini ke mikrokontroller meggunakan
komunikasi data 1Wire. Gambar 20 menunjukkan
sensor suhu DS 1822 yang terdiri dari probe sensor
dan 1wire port. Proses pengujian dilakukan dengan
menggunakan heater pemanas atau teko pemanas dan
thermometer khusus media air dan udara. Gambar
pengujian ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Pengujian Sensor Suhu DS1822
Hasil pengujian sensor DS1822 ditunjukkan
pada Tabel 1a dan 1b dan Grafik 1, pengujian
dilakukan
sebanyak 4 kali percobaan untuk
mengetahui akurasi dari sensor suhu DS1822
dibandingkan dengan thermometer.
Table 1a. Data hasil pengujian sensor DS1822
Thermom
Sensor Suhu DS 1822 (oC)
eter
RataS1
S2
S3
S4
o
C
rata
15,00
15,00
15,10
15,20
15,20
15,13
20,00
20,10
20,20
20,10
20,20
20,15
25,00
25,20
25,20
25,30
25,20
25,23
30,00
30,10
30,10
30,00
30,10
30,08
35,00
35,20
33,10
35,00
35,08
35,10
40,00
40,00
40,20
40,10
40,00
40,00
Table 1b. Data % Error antara sensor DS1822 dengan
thermometer air
Thermometer
Sensor DS1822
oC
Terbaca oC
Error
(oC)
% error
15,00
15,13
-0,13
0,87 %.
20,00
20,15
-0,15
0,75 %.
25,00
25,23
-0.23
0,92 %.
30,00
30,08
-0,8
0,27 %.
35,00
35,10
-0,1
0,23 %.
40,00
40,00
0
0,20 %.
Catatan : data selengkapnya dengan ketelitian 0,5
terlampir.
Grafik 1. Karakteristik Sensor DS1822 terhadap
thermometer
Dari Table 6 dan Grafik 1 terlihat bahwa sensor suhu
DS1822 memiliki akurasi mencapai 99,8% bila
dibandingkan dengan thermometer air dan udara.
3.5.
Hasil Pengujian Rangkaian Heater
Hasil pengujian rangkaian driver heater
ditunjukkan pada Tabel 2 dengan masukan berupa
tegangan DC keluaran dari DAC mulai dari 0 s/d 255
atau mulai sudut penyulutan mulai 0 s/d 180o.
Tegangan supply DC adalah 4,95V dan VAC = 224
VAC.
Tabel 2 Data pengujian driver heater
Sudut picu
(o)
Data DAC
Tegangan DAC Ch0
(Tp0)
Hasil
Hitung
%
ukur
(V)
Error
(V)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
0,00
0,25
0,55
0,82
1,09
1,36
1,65
1,92
2,19
2,46
2,73
3,00
3,29
3,56
3,83
4,10
4,37
4,64
4,93
0
14
28
42
56
70
85
99
113
127
141
155
170
184
198
212
226
240
255
0,00
0,27
0,54
0,82
1,08
1,35
1,64
1,91
2,18
2,46
2,73
3,00
3,29
3,56
3,83
4,10
4,37
4,64
4,93
0,00
7,41
1,85
1,23
0,93
0,74
0,61
0,52
0,46
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
V Heater (TP7)
Hasi
l
uku
r
(V)
Hitu
ng
(V)
%
Error
224
224
221
213
204
189
172
151
129
105
80
55
37
22
10
4
1
0
0
224
224
222
218
209
197
180
160
137
112
87
64
44
27
15
6
2
0
0
0
0
0,45
2,29
2,39
4,06
4,44
5,63
5,84
6,25
8,05
14,06
14,06
15,91
18,52
33,33
50,00
0
0
Hasil pengukuran tegangan dan sinyal rangkaian
driver heater dengan menggunakan oscilloscope,
ditunjukkan pada Gambar 10 sampai Gambar 13,
sedangkan untuk gambar dengan variasi sudut
pemicuan sesuai dengan data terlampir.
a) Sinyal pada kaki sinkronisasi (TP3)
Vsink = 1,64 div x 50mV/div = 82 mV dan
T= 4 div x 5 ms/div = 20 ms (f=50Hz)
Gambar 11. Sinyal segitga dan tegangan control
Vsegitiga = 2,95 div x 5V/div = 9,75V dan T
= 2div x 5ms/div = 10ms (f= 100Hz).
c) Sinyal Pulsa (TP5)
Gambar 12. Sinyal pulsa
Vpulse = 2,5 div x 5V/div =12,5V dan T=1 div x
10ms/div = 10ms (f=100Hz)
d) Sinyal output/tegangan heater (TP6)
Gambar 13. Sinyal tegangan heater pada sudut
pemicuan 90oC
Berdsarkan pada tabel 7 karakteristik DAC
MAX518 dapat ditunjukkan pada Grafik 2 sedangkan
untuk driver heater dengan berbagai variasi sudut
pemicuan dapat ditunjukkan pada Grafik 3.
Gambar 10. Sinyal Sinkronisasi
b) Sinyal pada sinyal segitiga (TP4) dan
tegangan kontrol (TP2)
Grafik 2. Karakteristik DAC MAX 518
Akurasi rangkaian DAC MAX518 mencapai
0,72% (nilai rata % error) sedangkan rangkaian heater
mencapai 10,77 %. Hal ini disebabkan karena
komponen elektronik yang digunakan mempunyai
rugi-rugi yang besar atau mempunyai ESR (Equivalen
Series Resistor) yang besar.
5.DAFTAR PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Grafik 3. Karakteristik driver heater
Karakteristik
driver
heater
dengan
menggunaka TCA 785 mendekati karateristik
pengontrolan tegangan AC ke AC, sehingga pada
sudut penyulutan 0o akan didapatkan tegangan
maksimum sesuai dengan tegangan makasimum
sebaliknya jika diberi sudut penyulutan 180o maka
tegangan yang dihasilkan semakin mendekati harga
nol.
[6]
[7]
[8]
[9]
4.KESIMPULAN DAN SARAN
4.1. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengujian modul pengontrolan suhu
dengan
menggunakan
ATMEGA-16
dapat
disimpulkan sebagai berikut:
1. Rangkaian elektrik modul pengontrolan suhu
terdiri dari 4 bagian utama yaitu rangkaian
sensor DS1822, rangkaian DAC MAX 518,
rangkaian TRIAC dan rangkaian TCA 785.
2. Rangkaian sensor DS1822 memiliki akurasi
mencapai 99,62 % dibandingkan dengan
pengukuran menggunakan thermometer.
3. Rangkaian DAC MAX518 memiliki akurasi
mencapai 99,28 % dengan error pengukuran
rata-rata 0,72%.
4. Rangkaian
kontrol
driver
heater
menggunakan tegangan kontrol AC RMS dan
kontrol sudut picu memiliki error 10,77%.
4.2. SARAN
1. Pengontrolan
dikembangkan
dengan
menggunakan sistem kontrol seperti PID
(Proporsional, Integrator, Differential) atau
sistem kontrol yang lain.
2. Menghitung konsumsi daya yang diperlukan
untuk setiap pengontrolan suhu sehingga
diketahui effisiensi dayanya
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
Ali
Muhamad.2004.
Pembelajaran
Perancangan Sistem Kontrol PID dengan
software Matlab. Jogjakarta : Univeristas
Negeri Jogjakarta
Astrom Karl Johan. 2002. Control System
Design – Chapter. PID control. USA :
Instrument Society of America.
Data Sheet 1994 Phase Control IC TCA785.
Jerman : Siemens
Faishol Fathu Riza . Perancangan sistem
pengendali suhu dan monitoring kelembaban
berbasis ATMEGA 8535 pada plant
inkubator.
Pongki Hartanto. Kontrol suhu untuk
menjaga adonan permen dan valve untuk
mengeluarkan permen sebesar 2,5 Gram.
Datasheet BC546, BC547,BC548. USA
:Motorola
Datasheet DS1822 Econo 1-Wire Digital
Thermometer. USA : Maxim Integrated
product, Dallas Semiconductor.
Datasheet Phase Control IC TCA 785 Jerman
: Siemens
Datasheet 2-Wire Serial 8-bit DAC with Rail
to Rail Outputs. USA : Maxim Integrated
Product, Dallas Semiconductor.
Aljabbar 2008, kalor. Dunia Fisika diakses
pada
31
maret
2012
http://alljabbar.wordpress.com/2008/03/23/ka
lor.
Operational Amplifier, diakses pada 31 maret
2012,
http://en.wikipedia.org/wiki/Operational
amplifier
Hart, Daniel W, Power Electronics,
Valparaiso University, Valparaise, Indiana
2010.
Rashid, Muhammad H, Power Electronics
Handbook, University of Florida/ University
of West Florida Joint Program and Computer
Engineering, Pensacola, Florida 2001.
.................., 1996, MATLAB Automatic
Control Toolbox : Version 4: User’s Guide,
The Math Work Inc