Beban Elektronik Untuk Pengujian Regulasi Catu Daya

BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan skripsi yang dibuat yang terdiri dari
perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras
menjelaskan hubungan setiap modul dan rangkaiannya. Sedangkan perancangan perangkat lunak
menjelaskan tentang garis besar perangkat lunak yang ditanamkan pada setiap modul yang
direpresentasikan melalui diagram alir.
3.1. Gambaran Sistem
Gambaran keseluruhan alat yang akan direalisasikan dapat dilihat pada gambar 3.1.
dimana terdapat dua modul utama yaitu modul mikrokontroler dan active load . Selain dua
modul utama juga terdapat modul sensor suhu.
Gambar 3.1 Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang
Cara kerja dari beban elektronik yang dirancang ini yaitu pertama pengguna
menentukan berapa besar arus yang diinginkan melalui keypad. Nilai ini kemudian diubah
menjadi besaran analog dengan menggunakan PWM DAC yang akan menjadi tegangan
referensi ke modul active load untuk mengaktifkan MOSFET yang akan menarik sejumlah
arus dari power supply yang akan diuji. Kemudian besarnya arus yang ditarik akan dibaca
kembali melalui ADC mikrokontroler dan ditampilkan ke display. Selain itu juga dapat
membaca besarnya suhu pada sistem.
14
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Perancangan perangkat keras terdiri dari modul active load , modul mikrokontroler,
modul keypad, modul penampil LCD, dan modul sensor suhu.
3.2.1. Modul Active load
Modul active load
adalah bagian yang terdiri dari rangkaian driver untuk
MOSFET. Rangkaian driver MOSFET ini terdiri dari penguat operasional (Op-amp),
MOSFET dan resistor (Rsense).
12
+V
U1
LM324
+
+ Vin
1V
Q1
IRFZ44
V1
+ Vpsu
30V
Rsense
1
Gambar 3.2. Rangkaian active load
Cara kerja modul active load ini yaitu tegangan masukan (Vin) yang merupakan
tegangan keluaran dari PWM DAC mikrokontroler, diberikan sebagai masukan pada
non-inverting op-amp dan kemudian akan diumpankan ke MOSFET yang akan
mengontrol arus yang ditarik dari power supply yang diuji.
MOSFET yang digunakan bekerja seperti sebuah resistor variabel untuk
mengontrol berapa besar arus yang mengalir ke sistem atau dalam hal ini arus yang
ditarik dari power supply yang diuji (VPSU). Dengan mendeteksi tegangan dan di
umpankan kembali ke MOSFET melalui opamp. MOSFET akan menyesuaikan
besarnya resistansi dalam (RDS) untuk mempertahankan besarnya arus yang melalui
sistem.
15
Besarnya arus yang melalui MOSFET ini dapat diatur dengan mengontrol
tegangan gate dari MOSFET. Semakin besar tegangan gate maka semakin besar pula
arus yang mengalir melaui drain ke source begitu pula sebaliknya.
Pada rangkaian diatas tegangan gate didapat dari keluaran op-amp. Op-amp pada
rangkaian diatas bekerja seperti voltage follower (pengikut tegangan), yaitu keluaran
op-amp terhubung ke masukan inverting op-amp sehingga menghasilkan tegangan
keluaran yang sama dengan masukan non-inverting.
Akan tetapi, pada rangkaian diatas umpan balik tidak langsung dari keluaran opamp tetapi diambil dari resistor Rsense dan keluaran op-amp terhubung ke gate
MOSFET. Op-amp akan menyesuaikan tegangan keluaran sehingga tegangan antara
masukan inverting dan non-inverting sama, sehingga kita dapat mengatur tegangan
gate MOSFET.
Dengan mengatur tegangan gate kita dapat mengontrol besar arus yang mengalir
dari drain ke source. Semakin besar tegangan yang diberikan maka semakin besar
pula arus yang mengalir. Karena drain MOSFET terhubung ke power supply yang
diuji maka besarnya arus yang mengalir dari drain ke source (ID) akan sama dengan
besarnya arus yang ditarik dari power supply yang diuji.
Untuk mengetahui berapa besar arus yang mengalir yaitu dengan mengukur
tegangan pada resistor Rsense. Resistor Rsense pada perancangan ini dipilih 1 ohm.
Karena opamp bekerja sepert voltage follower maka tegangan pada masukan
inverting dan non-onverting sama, sehingga tegangan pada Vin sama dengan tegangan
umpan balik V1. Tegangan V1 sama dengan tegangan pada RSENSE. Sehingga jika kita
memberikan tegangan sebesar 1 volt pada Vin maka besarnya arus ID yang melalui
RSENSE dapat dihitung sebagai berikut :
(3.1)
16
Pada perancangan modul active load ini menggunakan :

MOSFET kanal n tipe enhancement IRFZ44, untuk mengontrol besarnya
arus yang mengalir.

Quad Op-Amp, LM324, untuk mengontrol tegangan yang akan
diumpankan ke gate MOSFET.

Resistor Rsense, 1Ω, 5watt.
3.2.2. Modul Mikrokontroler
Pada skripsi ini, mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler tipe
ATMega32 keluaran dari ATMEL. Gambaran perancangan modul mikrokontroler
digambarkan pada gambar 3.3.
R1
10k
U1
26.0
VOUT
3
2
13
12
40
39
38
37
36
35
34
33
LM35
1
2
3
4
5
6
7
8
PC0/SCL
PC1/SDA
PC2/TCK
PC3/TMS
PC4/TDO
PC5/TDI
PC6/TOSC1
PC7/TOSC2
XTAL1
XTAL2
PA0/ADC0
PA1/ADC1
PA2/ADC2
PA3/ADC3
PA4/ADC4
PA5/ADC5
PA6/ADC6
PA7/ADC7
PD0/RXD
PD1/TXD
PD2/INT0
PD3/INT1
PD4/OC1B
PD5/OC1A
PD6/ICP1
PD7/OC2
PB0/T0/XCK
PB1/T1
PB2/AIN0/INT2
PB3/AIN1/OC0
PB4/SS
PB5/MOSI
PB6/MISO
PB7/SCK
AREF
AVCC
22
23
24
25
26
27
28
29
14
15
16
17
18
19
20
21
32
30
ATMEGA32
R2
1
2
3
4
5
6
7
8
RS
RW
E
D4
D5
D6
D7
RV1
LCD 16X2
5k
RS
RW
E
D4
D5
D6
D7
Vcc
U2
1
KEYPAD
RESET
0%
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
PWM DAC
1k5
C1
100nF
Gambar 3.3. Skema modul mikrokontroler
Penjelasan dari penggunaan setiap pin mikrokontroler yang terhubung dengan
modul pendukung lainnya dijelaskan pada table 3.1.
17
Tabel 3.1. Tabel kofigurasi pin ATMega32
Nama Port
Fungsi
PORTA.0
ADC untuk LM35
PORTB.3
PWM untuk DAC
PORTC
KEYPAD
PORTD.0
(RS)LCD
PORTD.1
(R/W)LCD
PORTD.2
(EN)LCD
PORTD.4
(DB4)LCD
PORTD.5
(DB5)LCD
PORTD.6
(DB6)LCD
PORTD.7
(DB7)LCD
3.2.3. Keypad
Keypad berfungsi sebagai sarana interaksi antara pengguna dan sistem yang
dirancang. Bagian ini secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian
pengendali utama yaitu mikrokontroler. Dimana pada perancangan ini digunakan
keypad 4x4 yang memiliki konektor delapan pin yang terhubung ke mikrokontroler
PORTA. Gambar 3.3 menunjukkan skema keypad 4x4 yang digunakan.
Gambar 3.4. Skema keypad 4x4
Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning dilakukan
dengan mengkonfigurasi pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk
18
mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasi sebagai keluaran, dihubungkan dengan
pin yang terhubung dengan 4 baris keypad dan pin-pin yang dikonfigurasi sebagai
masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad.
Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 Tabel konfigurasi pin keypad
Pin keypad
Pin mikrokontroler
Fungsi pin
mikrokontroler
Pin 1
Port C0
Masukan
Pin 2
Port C1
Masukan
Pin 3
Port C2
Masukan
Pin 4
Port C3
Masukan
Pin 5
Port C4
Keluaran
Pin 6
Port C5
Keluaran
Pin 7
Port C6
Keluaran
Pin 8
Port C7
Keluaran
3.2.4. Modul Penampil LCD
Modul penampil yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LCD karakter
16x2. Konfigurasi pin keluaran dari LCD 16x2 dapat dilihat pada tabel 3.3.
Gambar 3.5. LCD karakter 16x2
19
Tabel 3.3. Tabel konfigurasi pin LCD16x2
No. Pin
Nama Pin
Keterangan
1
Vss
Ground
2
Vdd
Catu daya LCD 5V
3
Vo
Kontras
4
RS
Register Select
5
R/W
Read/Write
6
E
Enable
7
DB0
Data bit 0
8
DB1
Data bit 1
9
DB2
Data bit 2
10
DB3
Data bit 3
11
DB4
Data bit 4
12
DB5
Data bit 5
13
DB6
Data bit 6
14
DB7
Data bit 7
15
LED +
Catu daya positif LED
16
LED -
Catu daya negative LED
3.2.5. PWM DAC
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. Dengan memfilter keluaran PWM menggunakan
low pass filter kita akan mendapatkan sinyal analog DC. Dengan memvariasikan duty
cycle kita akan mendapatkan besar tegangan DC yang bervariasi.
Gambar 3.6. blok PWM DAC
Sinyal PWM dihasilkan oleh mikrokontroler menggunakan timer 0 dengan mode
Fast PWM dan prescaller 1024, sehingga didapat frekuensi PWM sebagai berikut:
20
Sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler difilter menggunakan low pas filter
untuk mendapatkan sinyal analog. Dengan oprhitungan Low Pass Filter sebagai
berikut:
Frekuensi cut off dari PWM adalah 45Hz.
Kapasitor yang digunakan 10nF.
R = 353857.042
354Kohm
Besarnya tegangan keluaran PWM-DAC diperoleh dengan :
(3.2)
Dimana Vout adalah tegangan keluaran PWM-DAC dan Vin adalah tegangan
keluaran dari PWM. D merupakan duty cycle PWM. Dengan mengubah nilai duty
cycle tegangan keluaran Vout juga ikut berubah.
3.3. Perancangan Perangkat Lunak
Dalam perancangan skripsi ini, selain perangkat keras ada beberapa bagian pada alat
yang dirancang dalam bentuk software atau perangkat lunak yang digambarkan dalam
diagram alir berikut ini :
21
START
Masukan arus
ya
lebih dari
10 A?
tidak
Adjust Arus
Baca suhu
Lebih
dari 80o?
Stop arus
tidak
Adjust Arus
Tampilkan data
di LCD
STOP
Gambar 3.7. Diagram alir mikrokontroler
22
Penjelasan dari diagram alir diatas sebagai berikut :

Setelah diaktifkan, alat akan menampilkan menu pembuka yaitu meminta masukan
besarnya arus yang diinginkan dari pengguna.

Kemudian mikrokontroler akan mendeteksi apakah ada masukan dari pengguna atau
tidak. Jika ada masukan akan melanjutkan ke proses selanjutnya yaitu mengatur
besarnya arus yang diinginkan pengguna.

Mikrokontroler membaca besarnya suhu pada heatsink. Jika suhu pada heatsink
lebih dari 80oC maka mikrokontroler akan menghentikan proses. Jika suhu kurang
dari 80oC maka mikrokontroler akan menampilkan hasilnya di LCD.
23