35 BAB 3 METODE PERANCANGAN 3.1. Gambaran Umum Sistem

BAB 3
METODE PERANCANGAN
3.1. Gambaran Umum Sistem
Sistem terdiri dari dua bagian, yaitu sistem pengisian baterai dan sistem
pengendali nyala lampu. Blok diagram untuk sistem ini ditunjukkan oleh
gambar berikut ini:
Gambar 3.1 Blok diagram sistem
3.1.1. Sistem Pengisian Baterai
Tegangan AC yang digunakan pada waktu perancangan
sebesar230 V, dengan frekuensi 50 Hz. Transformer yang dipakai
adalah transformer step down non-CT (tidak Center Tapped) 1 A,
dengan tegangan primer maksimum sebesar 240 V dan tegangan
sekunder maksimum sebesar 15 V. Penulis menggunakan tegangan
primer maksimum yang dihubungkan dengan sumber tegangan AC dan
tegangan sekunder maksimum yang dihubungkan dengan rectifier pada
rangkaian pengisian baterai.
35
36
Rectifier yang digunakan adalah full wave rectifier untuk
mengkonversi seluruh bentuk gelombang input menjadi gelombang
dengan polaritas konstan pada ouput-nya baik positif ataupun negatif,
guna mendapatkan tegangan DC rata-rata yang tinggi dengan ripple
yang sedikit. Dioda bridge digunakan untuk membuat full wave rectifier
pada transformer non-CT.
Rangkaian filterseperti kapasitor digunakan untuk meminimalkan
ripple dari rectifierdan mendapatkan tegangan DC yang mendekati
ideal, sementara ituDC-DC voltage regulator digunakan untuk
mendapatkan tegangan konstan yang dibutuhkan dalam proses
pengisian baterai.
Terdapat rangkaian trickle charge mode yang akan membantu
mengurangi arus ketika baterai sudah terisi penuh.Trickle charging
merupakan metode pengisian baterai secara lambat dan terus menerus.
Metode ini berarti mengisi baterai yang telah terisi penuh tanpa
terhubung beban pada tingkat yang sama dengan tingkat discharge-nya,
sehingga memungkinkan baterai tetap pada tingkat terisi penuh dan
menghindari overcharging.
3.1.2. Sistem Pengendali Nyala Lampu
Baterai terhubung ke linear regulator untuk mendapatkan
tegangan yang dibutuhkan oleh mikrokontroler dan MOSFET driver.
Baterai juga terhubung langsung ke DC-DC converter untuk
memberikan tegangan asli baterai.
Sistem memiliki pengaturan dimming yang didapatkan dari
pengaturan dip switch sehingga nyala lampu dapat disesuaikan tingkat
luminous flux-nya.
DC-DC
converter
adalahsynchronousbuck
yang
converter.
digunakan
untuk
Converterini
LED
driver
berfungsi
untuk
menurunkan tegangan (step down) dari baterai. Tegangan baterai
sebesar 12,6 volt akan diturunkan ke 10,5 volt. Tegangan yang lebih
rendah ini akan digunakan untuk menyalakan lampu LED portabel.
Lampu LED tersebut terdiri dari 45 buah LED yang tersusun dari 15
array dengan 3 LED pada masing-masing array tersebut. Tiap array
37
dibatasi arus 23 mA, sehingga jumlah arus keseluruhan yang digunakan
lampu LED adalah 345 mA.
Rangkaian array lampu tersebut dihubungkan dengan resistor
berukuran kecil untuk mengetahui berapa arus yang melewati rangkaian
tersebut dengan mengecek tegangan yang jatuh pada resistor tersebut,
sehingga apabila terjadi perubahan arus, rangkaian kontroler dapat
menentukan langkah tepat yang harus dilakukan.
3.2. Perancangan Perangkat Keras
3.2.1. Perancangan Battery Charger
Baterai yang digunakan sebagai sumber daya untuk rangkaian
pengendali nyala lampu adalah baterai jenis VRLA (Valve Regulated
Lead Acid). Tegangan yang dimiliki baterai ini sebesar 12 Volt dengan
kapasitas 5 Ah. Berikut ini adalah charging instruction yang tertera
pada badanbaterai:
Tabel 3.1 MF 12V5Ah VRLA Charging Instruction
Application
Voltage Regulation
Floating use
13,5 – 13,8 V
Cycle use
14,4 – 14,7 V
Initial Current
Kurang dari 1,5 A
Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa apabila tegangan yang
diberikan charger pada saat baterai dihubungkan melebihi 14,7 Volt,
maka akan terjadi overcharging. Arus yang diberikan juga dibatasi,
tidak lebih dari 1,5 Ampere. Pada BAB 2 sudah dijelaskan bagaimana
menentukan charger yang dibutuhkan oleh baterai lead-acid agar terisi
penuh dalam waktu yang telah ditentukan. Dengan cara tersebut akan
ditentukan berapa arus yang dibutuhkan oleh baterai yang penulis
gunakan supaya memiliki waktu pengisian selama 5 jam.
•
Tegangan baterai yang akan dicharge adalah 12 V
•
Jumlah baterai yang akan dicharge adalah 1 buah
•
Kapasitas baterai adalah 5 Ah, sehingga total kapasitas
baterai tetap 5 Ah
•
Waktu pengisian yang dibutuhkan adalah 5 jam (hour)
38
•
Membagi kapasitas total dengan waktu pengisian:
= 1 Ampere
•
Menambahkan 20% dari arus tersebut, sehingga menjadi:
1 + (1
= 1,2 A
Perhitungan tersebut menjelaskan bahwa pengisian sampai penuh
baterai VRLA yang digunakan dapat dilakukan dengan waktu sekitar 5
jam, dengan arus yang konstan di 1,2 Ampere.
Untuk mendapatkan tegangan keluaran yang dibutuhkan pada
proses charging baterai VRLA, digunakan regulator tegangan LM317
dengan rangkaian pengaturan yang menggunakan komponen resistor
yang dipasang pada pin output dan pin VADJ. Berikut ini merupakan
perhitungan untuk merancang rangkaian pengaturan tegangan LM317
dengan tegangan output yang dibutuhkan baterai sebesar 13,8 Volt dan
R2 sebesar 1470 Ω (trimpot 1 KΩ diseri dengan resistor 470 Ω)secara
teori:
(Persamaan 2.4)
= 148 Ω
39
IADJ ideal bernilai kurang dari 100µA. Pada prakteknya,
perhitungan untuk mendapatkan tegangan output mendekati 13,8V
adalah dengan menambahkan 1 V sampai 1,25 V ke tegangan output
yang diinginkan. Penulis menambahkan tegangan 1,2 V sehingga
tegangan menjadi 15,008 V. Penggunaan R1 dengan nilai 135 Ω dapat
memenuhi hasil tersebut.
= 15,008 Volt
3.2.2. Perancangan Lampu LED Portabel
Perancangan ini berfungsi untuk mendapatkan arus untuk
rangkaian lampu LED dengan pembatas arus agar luminous flux yang
didapat bisa sebesar mungkin serta tidak mengurangi lifetime lampu.
Resistor yang digunakan pada tiap array adalah 3,9 Ω dengan sumber
tegangan 10,5 Volt dari power supply (tanpa modul pengendali).
Sebuah LED menggunakan tegangan sekitar 3,3 Volt. Menghubungkan
3 buah LED secara seri membuat satu array LED menggunakan 9,9
Volt. Tegangan yang jatuh pada resistor tersebut sekitar 0.6 V yang
akan menghantarkan arus sebesar 150 mA tiap array-nya.
Secara prakteknya, arus yang didapatkan menjadi hanya sekitar
30 mA ketika disipasi daya terjadi saat power supply terhubung ke
beban. Besar arus tersebut mampu membuat lampu LED memancarkan
cahaya sangat terang (lux tidak diukur).
Penggunaan
baterai
VRLA
dengan
tegangan
12,6
Volt
membutuhkan penurun tegangan untuk memberikan tegangan 10,5 Volt
untuk rangkaian lampu LED portabel, maka dari itu digunakan stepdown converter berupa synchronous buck.
3.2.3. Perancangan Modul Battery Charger
Berikut ini merupakan skematik dari battery charger untuk
baterai VRLA 12 Volt:
40
Gambar 3.2 Rangkaian battery charger
LM317 digunakan untuk mendapatkan output tegangan yang
dibutuhkan. Kapasitor C2 dan C3 berfungsi untuk filter AC noise/spike
dan ripple dari rangkaian rectifier, sedangkan C4 untuk filter tegangan
DC keluaran dari regulator. Trimpot VR1 digunakan untuk mengatur
dan menyesuaikan arus dan tegangan yang dibutuhkan.R5 sebagai R1
serta trimpot VR1 dan R7 sebagai R2yang digunakan sebagai pencari
tegangan output.LED digunakan untuk indikator.
LM317 merupakan linear regulator yang menarik arus sebanyak
yang dihantarkan. Ketika arus ini dikalikan dengan beda tegangan
antara input dan output, maka daya dalam jumlah yang cukup signifikan
terbuang dalam bentuk energi panas atau disipasi daya. Penggunaan
komponen ini tidak efisien dan membutuhkan heatsink untuk mencegah
overheating.
Ada alternatif lain dibandingkan menggunakan linear regulator,
yaitu menggunakan switching regulator. Switching regulator adalah
salah satu DC-DC converter, dengan menyimpan energi input
sementara dan kemudian melepaskan energi tersebut ke output pada
tegangan yang berbeda. Metode konversi ini lebih baik dalam hal
efisiensi daya, namun membutuhkan tempat pemasangan yang lebih
besar, serta komponen yang lebih kompleks.
41
3.2.4. Perancangan Modul Pengendali Nyala Lampu
Perancangan Rangkaian Kontroler
Berikut ini merupakan skematik rangkaian kontroler sebagai
pusat pengendali nyala lampu:
Gambar 3.3 Rangkaian kontroler PIC12F752
Pin VCC U1 terhubung ke tegangan input yang sudah teregulasi.
Kapasitor C1 dihubungkan dari VCC ke ground sebagai kapasitor
bypass. Pin RA5 dihubungkan ke R3 untuk menciptakan pembagi
tegangan yang akan menjadi input untuk RA0. RA4 merupakan pin
yang terhubung dengan rangkaian current sensing yang akan menjadi
input dalam analoguntuk modul comparator dalam IC. RA3
dihubungkan dengan master clear yang akan melakukan reset apabila
input dengan logika 0 diberikan (active low). RA2 digunakan untuk
menghasilkan COG yang terhubung ke MOSFET driver, sedangkan
RA1 terhubung ke rangkaian dip switch yang akan mengatur menjadi
input dalam analog untuk modul ADC. Pin VSS dihubungkan ke
ground.
42
Perancangan Rangkaian Switch
Berikut ini merupakan rangkaian switch untuk pengaturan nyala
lampu LED:
Gambar 3.4 Rangkaian saklar untuk dimming
Kaki 5,6,7, dan 8 pada dip switch dihubungkan ke ground.
Rangkaian ini bekerja dengan menciptakan pembagi tegangan dengan
resistor R1 sebesar 30 KΩsebagai pembatas arus yang ada pada
rangkaian kontroler (Gambar 3.3). Ketika saklar pertama pada kaki 4
dihubungkan ke ground dengan menutup saklar, maka akan terjadi
koneksi langsung ke ground dan tegangan yang terbaca oleh ADC pada
kontroler adalah 0 V. Saat saklar pertama dibuka sehingga memutus
hubungan rangkaian dengan ground, maka semua saklar akan terbuka
semua, sehingga tegangan yang terbaca oleh kontroler adalah 5 V.
Saklar kedua, ketiga, dan keempat memiliki efek yang berbeda
pada pembagi tegangan saat dihubungkan ke ground, dengan syarat
43
saklar yang lain harus terbuka (putus) hubungannya dengan
ground.Ketika saklar kedua ditutup, maka tegangan yang terbaca oleh
kontroler adalah 1,25 V. Ketika saklar ketiga ditutup, tegangan yang
terbaca oleh kontroler adalah 2,5 V. Ketika saklar keempat ditutup,
tegangan yang terbaca oleh kontroler adalah 3,3 V. Berikut ini adalah
cara penulis menentukan tegangan 3,3 V yang akan dibaca oleh
kontroler pada saat saklar keempat ditutup:
Perancangan Rangkaian MOSFET Driver
Berikut ini adalah skematik dari MOSFET gate driver:
Gambar 3.5 Rangkaian MCP14628 MOSFET gate driver
MOSFET driver yang digunakan adalah MCP14628 yang dapat
menyediakan arus puncak sebesar 2 A untuk synchronous buck power
MOSFET. MCP14628 merupakan driver untuk dua MOSFET gate
44
yang dirancang untuk mengoptimalkan pengendalian dua MOSFET NChannel.
Pin 1 terhubung ke high-sidegateMOSFET. Pin 2 terhubung ke
kapasitor yang juga terhubung ke pin 8 untuk menyediakan charge yang
diperlukan untuk mengaktifkan high-side power MOSFET. Pin 3
tehubung ke sinyal pengendali dari kontroler. Pin PWM ini
mengendalikan state pin HIDR dan LODR. Pin 4 terhubung ke ground.
High peak current akan mengalir pada pin ini ketika low-side power
MOSFET tidak aktif. Pin 5 terhubung ke low-side gate MOSFET. Pin 6
terhubung ke pin VCC. Bypass kapasitor diletakan antara pin ini dengan
pin GND. Pin 7 terhubung ke VCC untuk mengaktifkan forced
continuous conduction mode. Pin 8 menyediakan jalan kembali untuk
high-side MOSFET. Source dari high-side MOSFET terhubung ke pin
ini.
Pada
forced
continuous
conduction
mode,
LODR
pada
MCP14628 tidak dinonaktifkan sampai input sinyal PWM mengalami
transisi dari low ke high.
Perancangan RangkaianSynchronous Buck Converter
Berikut ini merupakan skematik buck converter yang digunakan:
Gambar 3.6 Rangkaian synchronous buck converter
Dua buah power MOSFET N-channel digunakan pada rangkaian
ini. Penulis menggunakan sebuah IC yang di dalamnya terdapat 2 buah
power
MOSFET
N-channelyaitu
FDS9926A.
Sourcehigh-side
45
MOSFET terhubung dengan induktor dan drain pada low-side
MOSFET. Terdapat juga sambungan menuju pin PHASE pada
MOSFET driver. Tiga buah kapasitor dihubungkan secara paralel untuk
mendapatkan nilai 66 µF.
Perancangan Rangkaian Lampu LED
Berikut ini merupakan skematik dari lampu LED:
Gambar 3.7 Rangkaian LED dengan pembatas arus
Terminal Block H3 menghubungkan rangkaian synchronous buck
dengan anoda dan katoda pada LED. Sebelum terhubung ke kaki anoda
LED, resistor membatasi arus untuk mendapatkan arus yang dibutuhkan
oleh LED.
Perancangan Rangkaian Current Sense
Berikut ini adalah skematik current sense:
Gambar 3.8 Rangkaian current sense menggunakan resistor bernilai kecil
46
R29 yang bernilai 0,1 Ω yang diparalel dengan resistor yang
bernilai sama akan menghasilkan nilai setengahnya dari resistor
tersebut. Resistor ini berfungsi sebagai resistor current sensing yang
dapat mengetahui arus yang lewat pada beban dengan membaca
tegangan yang jatuh.Resistor R28 berfungsi sebagai pembatas arus yang
masuk ke pin mikrokontroler Kapasitor C10 berfungsi untuk bypass.
3.2.5. Perancangan Modul Linear Regulator dan Rangkaian ICSP
Berikutini adalah skematik regulator tegangan yang digunakan:
Gambar 3.9 Rangkaian voltage regulator menggunakan LM7805
Kapasitor digunakan sebagai AC noise (spike) filter dan ripple
filter. Fuse terhubung dari positif baterai ke rangkaian filter untuk
mengamankan rangkaian.Linear regulator LM7805 digunakan untuk
memberikan tegangan keluaran sebesar 5 volt yang akan menjadi VCC
untuk dihantarkan ke pin VCC pada IC kontroler utama dan MOSFET
driver. Penggunaan LM7805 ini tidak lepas dari beberapa faktor, yaitu :
1. Harga komponen ini lebih murah dibandingkan dengan
switching regulator.
2. Komponen pendukung utama yang dibutuhkan untuk linear
regulator LM7805 agar bekerja dengan baik tidak terlalu
kompleks.
Penulis sebelumnya telah merancang step down regulator
menggunakan switching regulator LM2576 untuk menggantikan fungsi
47
LM7805, namun tidak berhasil diimplementasikan karena tegangan
keluarannya kurang dari dan tidak dapat mencapai 5 Volt. Penggunaan
LM2576 juga dapat menghasilkan arus yang besar, dimana pin VCC
rangkaian keseluruhan tidak membutuhkan arus yang besar untuk dapat
bekerja.
Berikut ini merupakan skematik rangkaian ICSP (In-Circuit
Serial Programming) untuk memprogram komponen IC PIC12F752
yang digunakan:
Gambar 3.10 Rangkaian ICSP
3.3. Perancangan Perangkat Lunak Kontroler Untuk Pengendali Nyala
LED
Berikut ini merupakan flowchart program yang dipergunakan untuk
kontroler pengendali nyala LED:
Gambar 3.11 Diagram alir untuk kontroler pengendali lampu
48
Kontroler mulai inisialisasi register dan variabel, setelah itu terjadi delay
sekian milisecond. Tahap selanjutnya adalah pengecekan logika MCLR
(master clear) dan ADC pada dip switch. Tahap berikutnya adalah
mengaktifkan PWM. Tahap selanjutnya adalah proses update PWM.
3.4. Rancang Bangun
Berikut ini merupakan penampilan fisik dari battery charger, modul
pengendali nyala lampu, dan susunan LED pada lampu portabel:
Gambar 3.12 Tampak depan battery charger
49
Gambar 3.13 Tampak belakang battery charger
Gambar 3.14 Modul pengendali LED
50
Gambar 3.15 Susunan LED pada lampu portabel