laporan kp telimek_final.pdf
DESCRIPTION
laporan kp telimek lipiTRANSCRIPT
SIMULASI KONTROL ARUS PADA KONVERTER DC-DC BOOST DENGAN
MENGGUNAKAN PROTEUS ISIS
DI
PUSAT PENELITIAN TENAGA LISTRIK DAN MEKATRONIK LEMBAGA
ILMU PENGETAHUAN INDONESIA
LAPORAN KERJA PRAKTEK
Diajukan untuk memenuhi persyaratan kelulusan
matakuliah EU4802 Kerja Praktek
Oleh :
Dwi Sasmita Aji Pambudi
115090096
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS ELEKTRO DAN KOMUNIKASI
INSTITUT TEKNOLOGI TELKOM
2012
Lembar Pengesahan
SIMULASI KONTROL ARUS PADA KONVERTER DC-DC BOOST DENGAN
MENGGUNAKAN PROTEUS ISIS
DI
PUSAT PENELITIAN TENAGA LISTRIK DAN MEKATRONIK LEMBAGA
ILMU PENGETAHUAN INDONESIA
Telah diperiksa dan disetujui sebagai
Laporan Kerja Praktek
oleh :
Dwi Sasmita Aji Pambudi
115090096
Bandung, Desember 2012
Disetujui dan disahkan oleh:
Dosen Pembimbing Kerja Praktek
Ir. Porman Pangaribuan, M.T.
NIK. 99630167-1
Pembimbing Lapangan Kerja Praktek
di P2 TELIMEK LIPI
Anwar Muqorobin, S.T.
NIP. 19771014 200801 1 006
Mengetahui
Kepala P2 TELIMEK LIPI
Dr. Eng. Estiko Rijanto
NIP. 19671231 198712 1 002
Abstrak
Kerja praktek dilaksanakan di Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik
Lemabaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (Telimek LIPI) mulai tanggal 2 Juli 2012
sampai dengan 10 Agustus 2012. Kerja praktek yang dilakukan adalah membuat
simulasi kontrol arus pada boost converter dengan menggunakan Proteus ISIS.
Boost converter merupakan salah satu topologi dasar konverter DC-DC yang
tergolong dalam sistem catu daya dengan mode switching. Sistem catu daya
switching dapat menghasilkan disipasi daya yang rendah dan lebih efisien
dibandingkan dengan sistem catu daya linier.
Pada boost converter digunakan sensor arus ACS712 untuk mengetahui besarnya
arus induktor, dan rangkaian pengkondisi sinyal arus untuk menyesuaikan level
tegangan sensor arus dengan tegangan masukan pada mikrokontroler. Nilai ADC
dari keluaran pengkondisi sinyal sensor arus dibandingkan dengan nilai referensi
arus tetap yang diprogram pada mikrokontroler ATMega8535. Hasil
pembandingan tersebut digunakan untuk kontrol arus dengan menggunakan
kontrol ON-OFF pada mosfet high dan mosfet low yang terdapat pada rangkaian
boost converter. Pensaklaran kontrol ON-OFF dilakukan dengan membangkitkan
sinyal Pulse Width Modulation (PWM). Pada pembangkitan sinyal PWM
digunakan deadband 1% untuk menghindari adanya hubungan singkat. Pengujian
boost converter dilakukan dengan nilai referensi arus tetap 1A, 2A, 3A, 4A, 5A.
Dari hasil simulasi yang dilakukan, telah menunjukkan bahwa nilai arus induktor
sama dengan arus referensi. Sehingga kontrol arus pada boost converter telah
berfungsi dengan baik.
Kata kunci: Telimek LIPI, Konverter DC-DC, Boost Converter, PWM,
deadband, ACS712, ADC, ATMega8535.
i
KATA PENGANTAR
Segala puji bagi Alloh Swt karena atas rahmat-Nya penulis dapat menyelesaikan
serangkaian kegiatan kerja praktek menyelesaikan penulisan laporan kerja praktek ini
dengan sebaik-baiknya. Kerja praktek ini merupakan salah satu syarat kelulusan sarjana
Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Telkom.
Selama kegiatan kerja praktek berlangsung, penulis banyak mendapatkan manfaat
dan pembelajaran dalam kegiatan penelitian dan penyusunan laporan kerja praktek. Penulis
mendapatkan banyak hal dan ilmu baru yang tidak didapatkan di bangku kuliah. Sehingga
berbagai pengalaman tersebut dapat memberikan pengembangan diri bagi penulis.
Pengalaman ini nantinya bermanfaat baik dalam dunia kerja maupun dalam memperdalam
ilmu.
Penulis juga mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada para
pembimbing dan rekan kerja yang telah mambantu dan mendukung selama pelaksanaan
kerja praktek dan peunilsan laporan, yaitu :
1. Bapak Achmad Rizal, S.T., M.T. selaku kepala program studi Teknik Elektro yang
telah memberikan bimbingan dan petunjuk.
2. Bapak Ir. Porman Pangaribuan, M.T. selaku dosen wali dan dosen pembimbing
kerja praktek yang telah memberikan bimbingannya.
3. Bapak DR.Eng. Estiko Rijanto selaku kepala Pusat Penelitian Tenaga Listrik an
Mekatronik yang telah memberikan kesempatan untuk melaksanakan kerja praktek.
4. Bapak Anwar Muqorobin, S.T. selaku pembimbing selama pelaksanaan kerja
praktek di bidang mekatronik P2 Telimek LIPI yang telah memberikan pengarahan
dan berbagai ilmu serta pengalaman selama penelitian dalam kerja praktek.
Serta pihak lainya yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu. Semoga Alloh
memberikan kemudahan dan membalas kebaikan rekan-rekan sekalian dengan yang lebih
baik.Penulis memohon maaf sedalm-dalamnya jika mendapati hal yang kurang berkenan
pada penulis.
Penulis berharap penulisan laporan ini dilakukan dengan sebaik-baiknya, namun tentu
banyak sekali kekurangan yang terdapat pada penulisan laporan ini. Oleh sebab itu, penulis
dengan lapang dada menerima segala bentuk kritik dan saran yang membangun untuk
memperbaiki penulisan laporan ini. Semoga laporan kerja praktek ini dapat memberikan
manfaat yang seluas-luasnya dan membawa kebaikan bagi para pembaca.
Bandung, Desember 2012
Penulis
ii
DAFTAR ISI
Abstrak ............................................................................................................................. i
DAFTAR ISI .................................................................................................................... iii
DAFTAR GAMBAR ....................................................................................................... iv
DAFTAR TABEL ............................................................................................................ v
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................................ 1
1.1. Latar Belakang .............................................................................................. 1
1.2. Maksud dan Tujuan ....................................................................................... 2
1.3. Rumusan Masalah ......................................................................................... 2
1.4. Waktu dan Tempat Pelaksanan ..................................................................... 3
1.5. Sistematika Penulisan .................................................................................... 3
BAB II PUSAT PENELITIAN TENAGA LISTRIK DAN MEKATRONIK LIPI ........ 4
2.1. Sejarah dan Tinjauan Umum ......................................................................... 4
2.2. Struktur Organisasi P2 TELIMEK LIPI ........................................................ 5
BAB III LANDASAN TEORI ......................................................................................... 8
3.1Konverter DC-DC Boost ................................................................................. 8
3.2 Kontrol ON-OFF ............................. .............................................................. 11
3.3. Mikrokontroler ATMega8535 ....................................................................... 13
3.3.1. Timer/Counter 8 bit ........................................................................ 15
3.3.2. Timer/Counter 16 bit ...................................................................... 16
3.3.3 CodeVisionAVR ............................................................................. 16
BAB IV PELAKSANAAN KERJA PRAKTEK ............................................................. 19
4.1. Perancangan Piranti Keras ............................................................................ 19
4.1.1. Konverter Boost ............................................................................. 20
4.1.2. Sensor Arus .................................................................................... 21
4.1.2.1. Sensor Arus ACS712....................................................... 21
4.1.2.2 Pengkondisian Sinyal Sensor Arus .................................. 24
4.2. Perancangan Piranti Lunak ........................................................................... 29
4.2.1. Pemrograman PWM (Pulse Width Modulation) ............................ 29
4.2.2. Pemrograman ADC ........................................................................ 31
4.2.3. Integrasi Keseluruhan Blok pada Program ..................................... 32
4.3. Kontrol Arus dengan Menggunakan ON-OFF .............................................. 33
4.4 Hasil Uji Simulasi dan Pembahasan ............................................................. 34
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 37
5.1. Kesimpulan ................................................................................................... 37
5.2. Saran .............................................................................................................. 37
DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................................... 38
LAMPIRAN ..................................................................................................................... 39
1. Daftar Program ................................................................................................. 39
2. Surat Persetujuan dari Puslit TELIMEK-LIPI ................................................. 40
iii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Strutur Organisasi P2 TELIMEK – LIPI .................................................. 7
Gambar 3.1 Rangkaian Boost Converter ...................................................................... 8
Gambar 3.2 (a) State ON (saklar tertutup) (b) State OFF (saklar terbuka) .................. 8
Gambar 3.3 Sinyal keluaran tegangan dan arus pada boost converter ......................... 9
Gambar 3.4 Kerja ON-OFF .......................................................................................... 12
Gambar 3.5 Penggunaan kontroler ON-OFF ................................................................ 12
Gambar 3.6 Kontrol ON-OFF pada level volume air ................................................... 12
Gambar 3.7 Penggunaan kontrolerON-OFF dengan band/gap .................................... 13
Gambar 3.8 Pinout dan IC Mikrokontroler ATMega8535 ........................................... 13
Gambar 3.9 Phase Correct PWM mode, Timing Diagram ........................................... 16
Gambar 3.11 Fast PWM mode, Timing Diagram ........................................................... 16
Gambar 3.12 Tampilan software CodeVisionAVR ........................................................ 17
Gambar 3.13 Tampilan CodeWizardAVR Automatic Program Generator ................... 17
Gambar 4.1 Rangkaian keseluruhan blok sistem .......................................................... 19
Gambar 4.2 Rangkaian Boost Converter ...................................................................... 20
Gambar 4.3 Mosfet IRFZ44 .......................................................................................... 21
Gambar 4.4 Sensor arus ACS712 ................................................................................. 22
Gambar 4.5 Blok Diagram ACS712 ............................................................................. 22
Gambar 4.6 Konfigurasi pin ACS712 .......................................................................... 22
Gambar 4.7 Rangkaian Sensor Arus ACS712 .............................................................. 23
Gambar 4.8 Grafik tegangan keluaran terhadao arus yang terdeteksi .......................... 23
Gambar 4.9 Perubahan grafik tegangan keluaran terhadap arus .................................. 24
Gambar 4.10 Rangkaian pengkondisi sensor arus .......................................................... 24
Gambar 4.11 Rangkaian Active Low Pass Filter ............................................................ 25
Gambar 4.12 Bode Plot dari Low Pass Filter ................................................................. 26
Gambar 4.13 Simulasi rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus .................................. 27
Gambar 4.14 Grafik tegangan keluaran Opamp terhadap tegangan masukan
pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus ........................................ 28
Gambar 4.15 Hasil simulasi kinerja Low Pass Filter dengan sinyal masukan 10kHz .... 28
Gambar 4.16 Sinyal pulsa PWM high dan PWM low .................................................... 29
Gambar 4.17 Inisialisasi Timer/Counter 1 ..................................................................... 30
Gambar 4.18 Hasil simulasi penggunaan deadband pada pembangkitan sinyal PWM .. 31
Gambar 4.19 Inisialisasi ADC ........................................................................................ 32
Gambar 4.20 Diagram blok inisialisasi pada mikrokontroler ATMega8535 ................. 32
Gambar 4.21 Blok diagram sistem pengontrolan Boost Converter ................................ 33
Gambar 4.22 Diagram alir program sistem pengontrol duty cycle pada ATMega8535 .. 33
Gambar 4.23 Grafik sinyal keluaran arus induktor untuk variasi nilai refensi arus ....... 35
Gambar 4.24 Grafik tegangan keluaran boost converter ................................................ 36
iv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Spesifikasi Boost Converter ..................................................................... 21
Tabel 4.2 Hasil simulasi pengujian rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus ....... 27
Tabel 4.3 Hasil simulasi Boost Converter untuk beberapa nilai referensi arus ....... 35
v
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Saat ini, banyak dibutuhkan sistem elektronika dengan sistem catu daya modern yang
lebih efisien dan lebih praktis. Sistem catu daya linier sangatlah tidak efisien dibandingkan
dengan sistem catu daya switching. Hal tersebut disebabkan karena pada proses
pensaklaran dihasilkan daya disipasi yang rendah[1]
. Saat saklar tidak bekerja di daerah
aktif, maka tidak ada energi yang diboroskan dibandingkan dengan catu daya linier yang
mengonsumsi lebih banyak energi akibat selalu bekerja di daerah aktif. Sehingga rugi-rugi
daya yang terjadi saat proses pensaklaran bisa dikurangi.
Untuk level daya rendah, sistem catu daya linier masih dapat digunakan. Tetapi untuk
sistem level daya tinggi, dibutuhkan sistem catu daya dengan mode switching. Sistem catu
daya switching dengan frekuensi yang meningkat, dapat menghasilkan riak arus yang lebih
rendah dan kepadatan daya (Watt/m3) yang lebih besar.
Salah satu sistem catu daya dengan mode switching adalah konverter DC-DC. Pada
konverter DC-DC terjadi proses konversi daya lsitrik dari daya listrik searah (DC) ke
bentuk daya listrik DC lainnya dengan level tegangan yang berbeda. Sistem pengaturan
DC Chopper[1]
dapat dilakukan dengan diatur dalam operasi frekuensi tetap maupun dalam
operasi frekuensi variabel. Pada operasi frekuensi tetap, diatur lebar pulsa menggunakan
PWM (Pulse Width Modulation) dengan periode tetap dan waktu on yang berubah-ubah.
Sedangkan pada frekuensi variabel, digunakan metode modulasi frekuensi dengan
frekuensi dan periodenya yang berubah-ubah.
Beberapa topologi dasar konverter DC-DC adalah buck, boost, dan buck-boost
converter. Dari beberapa topologi dasar tersebut, dipilih boost converter pada Kerja
Praktek ini. Boost converter mampu menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi
dibandingkan dengan tegangan masukan. Boost converter banyak diaplikasikan untuk
berbagai macam keperluan, diantaranya adalah sebagai Power Factor Correction (PFC)
pada Switch Mode Power Supply (SMPS), sebagai sistem penyimpanan energi pada sistem
pembangkit listrik hibrid, untuk mengontrol tegangan keluaran solarcell untuk mengisi
baterai, dan untuk menaikkan tegangan baterai untuk mencatu motor.
1
1.2 Maksud dan Tujuan
Mata kuliah Kerja Praktek merupakan salah satu mata kuliah wajib yang harus
ditempuh mahasiswa program studi Teknik Elektro Institut Teknologi Telkom Bandung.
Pelaksanaan kerja praktek bermaksud untuk mengaplikasikan penguasaan materi yang
telah diperoleh di perkuliahan, dan meningkatkan kemampuannya di bidang Teknik
Elektro.
Tujuan dari kerja praktek ini adalah :
1. mengetahui prinsip kerja dari boost converter,
2. membuat kontrol arus pada boost converter.
Secara khusus, kerja praktek ini bertujuan sebagai berikut.
A. Bagi Mahasiswa
Untuk memperoleh pengalaman secara langsung dalam menerapkan ilmu dan
teknologi ke dalam penelitian nyata.
Untuk meningkatkan kemampuan menganalisis permasalahan yang ada
berdasarkan pengalaman dan teori yang telah didapat.
Untuk menambah wawasan dan hal-hal baru yang tidak didapat di perkuliahan.
B. Bagi Perguruan Tinggi
Menjalin kerja sama antara perguruan tinggi dengan lembaga penelitian;
Mendapatkan bahan masukan dalam pengembangan sistem pengajaran yang
sesuai dengan dunia kerja dan dunia penelitian.
Untuk menghasilkan lulusan yang berkualitas dan berpengalaman.
C. Bagi Lembaga Penelitian
Menjalin hubungan baik dengan pihak perguruan tinggi;
Untuk berpartisipasi dalam pengembangan dunia pendidikan.
1.3 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah pada kerja praktek adalah sebagai berikut.
1. Bagaimana prinsip kerja boost converter.
2. Bagaimana membuat kontrol arus pada boost converter.
3. Bagaimana hasil keluaran boost converter dengan menggunakan kontrol arus.
2
1.4 Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Kerja Praktek dilaksanakan di Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Bandung, Jawa Barat pada tanggal 2 Juli 2012
sampai 10 Agustus 2012.
1.5 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan laporan kerja praktek ini adalah sebagai berikut.
Bab I memuat latar belakang, maksud dan tujuan kerja praktek, rumusan
masalah, ruang lingkup masalah, waktu dan tempat pelaksanaan kerja praktek,
sistematika penulisan.
Bab II membahas deskripsi mengenai Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan
Mekanik LIPI meliputi sejarah, struktur organisasi.
Bab III membahas tentang landasan teori.
Bab IV membahas tentang pelaksanaan kerja praktek.
Bab V memuat kesimpulan dan saran.
3
BAB II
PUSAT PENELITIAN TENAGA LISTRIK DAN MEKATRONIK
LEMBAGA ILMU PENGETAHUAN INDONESIA
2.1 Sejarah dan Tinjaun Umum
Seiring dengan kemajuan dan perkembangan kemampuan Nasional di bidang ilmu
pengetahuan dan teknologi, maka dibentuklah Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia
(LIPI) dengan tugas dan fungsi pokok yang sesuai dan searah dengan perkembangan ilmu
pengetahuan dan teknologi.
Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia mempunyai Visi sebagai berikut[2]
.
"Menjadi lembaga ilmu pengetahuan yang berada dalam kelompok terbaik dunia dalam
menghasilkan IPTEK guna meningkatkan kualitas SDM dan memperkuat daya saing
perekonomian nasional".
Pada tahun 1986, didirikan Pusat Penelitian dan Pengembangan Tenaga Listrik dan
Mekatronik (Puslitbang Telimek – LIPI) di bawah naungan Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia (LIPI).
Pada tanggal 5 Januari 2001 terjadi perubahan struktur organisasi pada Puslitbang
Telimek di bawah koordinasi Kedeputin Bidang Ilmu Pengetahuan Tenik. Berdasarkan
keputusan kepala LIPI No. 1151/M/2001 Puslitbang TELIMEK berubah nama menjadi
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik LIPI (P2 TELIMEK-LIPI)[6]
.
Kantor Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia (P2 Telimek-LIPI) berlokasi di Komplek LIPI jalan Cisitu nomor 21/154D,
Gedung nomor 20 yang terletak di kota Bandung, Jawa Barat.
Terdapat dua program penelitian[6]
yang menjadi prioritas di P2 Telimek LIPI yaitu
program penelitian kendaraan ramah lingkungan dan program penelitian energi terbarukan.
Beberapa hasil penelitian dari Telimek LIPI diantaranya adalah CNC Miling Production,
Unit Electric Bus, Hybrid Vehicle, dan MoroLIPI robot penjinak bom.
P2 TELIMEK-LIPI mempunyai tugas dan fungsi[2]
, yaitu :
Tugas
Melaksanakan penyiapan bahan perumusan kebijakan, penyesuaian pedoman,
pemberian bimbingan teknis, peyusunan rencana dan program pelaksanaan
penelitian bidang tenga listrik dan mekatronik serta evaluasi dan penyusunan
laporan.
4
Fungsi
1. Peyiapan bahan perumusan kebijakan penelitian bidang tenaga listrik dan
mekatronik
2. Penyesuaian pedoman, pembinaan dan pemberian bimbingan teknis
penelitian bidang tenaga listrik dan mekatronik
3. Penyesuaian rencana program dan pelaksnaan penelitian bidang tenaga
listrik dan mekatronik
4. Pemantauan pemanfaatan hasil penelitian bidang tenaga listrik dan
mekatronik
5. Pelayanan jasa ilmu pnegetahuan dan teknologi bidang tenaga listrik dan
mekatronik
6. Evaluasi dan penyusunan laporan penelitian bidang tenaga listrik dan
mekatronik
7. Pelaksanaan urusan tata usaha.
2.2 Struktur Organisasi P2 TELIMEK LIPI
Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik memiliki tugas memperisapkan
bahan perumusan kebijakan, penyusunan pedoman, pemberian bimbingan teknis,
penyusunan rencana dan program, pelaksanaan penelitian di bidang Pusat tenaga listrik dan
Mekatronik serta evaluasi dan penyusunan laporan[2]
.
P2 TELIMEK LIPI terdiri dari lima bidang, yaitu :
1. Bidang Mekatronik
2. Bidang Peralatan Transportasi
3. Bidang Elektronika Daya dan Mesin Listrik
4. Bidang Rekayasa
5. Bidang Sarana Penelitian
6. Bagian Tata Usaha
P2 TELIMEK LIPI memiliki beberapa laboratorium diantaranya :
1. Laboratorium Motor Bakar
2. Laboratorium Mesin Elektrik
3. Laboratorium Permesinan
Laboratorium CNC Milling - Vertical Milling Center, Copy Milling, dan
Horizontal Milling Center.
5
Laboratorium CNC Turning - Okuma Turning Center dan Alextec Turning
Laboratorium Bubut – Konvensional
Laboratorium Gerinda - Surface Grinding dan Cylindrical Grinding
Laboratorium Konstruksi - Mesin Press, Las listrik, dan Flange Bending
Machine
4. Laboratorium Pengecoran
Laboratorium Induction Furnace
Laboratorium Die Casting
Laboratorium Perlakuan Panas - Gas Nitriding dan Hardening Furnace
5. Laboratorium Perancangan
CAD/CAM
6. Laboratorium Pengukuran dan Pengujian Material
Coordinate Measuring Machine
Spectrometer
Surface Roughness Tester
Brinell Hardness Tester
6
Gambar 2.1 Strutur Organisasi P2 TELIMEK – LIPI[2]
Kepala
P2 TELIMEK - LIPI
Kepala Bidang Mekatronik
Kepala Bidang Peralatan
Transportasi
Kepala Bidang Elektronika Daya &
Mesin Listrik
Kepala Bidang Rekayasa
Kepala Bidang Sarana Penelitian
Kepala Sub Bidang Sarana Mekatronik
Kepala Sub Bidang Sarana Peralatan
Transportasi
Kepala Sub Bidang Sarana Elektronika
Daya & Mesin Listrik
Kepala Sub Bidang Sarana Rekayasa
Kepala Bagian Tata Usaha
Kepala Sub Bagian Kepegawaian
Kepala Sub Bagian Umum
Kepala Sub Bagian Jasa & Informasi
7
BAB III
LANDASAN TEORI
3.1 Konverter DC-DC Boost
Boost Converter merupakan salah satu dari topologi dasar konverter DC-DC.
Karakteristik dari boost converter adalah nilai tegangan output DC lebih besar dari nilai
tegangan input DC. Boost converter juga dikenal sebagai Step-up Converter (penaik
tegangan). Konverter DC-DC boost[2]
dapat menaikkan tegangan tanpa menggunakan
trafo. Dengan menggunakan saklar elektrik, penaikkan tegangan menjadi lebih efisien.
Boost Converter terdiri dari beberapa penyusun rangkaian, yaitu tegangan sumber
(Vs), induktor (L), saklar (S) , dioda (D), kapasitor (C), dan resistansi beban (R).
Sedangkan bentuk rangkaian dasar Boost Converter ditunjukkan oleh gambar 3.1
Gambar 3.1 Rangkaian Boost Converter
Saklar (S) dan dioda (D) adalah komponen semikonduktor yang digunakan untuk
pensaklaran Boost Converter. Transistor atau mosfet dapat digunakan sebagai saklar (S).
Boost converter bekerja pada dua keadaan yaitu saat saklar ON dan saat saklar OFF,
yang ditunjukkan oleh gambar 3.2. Saklar menutup (ON) saat t=0. Pada keadaan tersebut,
arus pada induktor menjadi naik dan mengalir melewati saklar S. Sehingga energi yang
tersimpan dalam induktor akan naik.
Saat saklar terbuka (OFF) saat t=t1, arus pada induktor akan mengalir melewati
kapasitor, beban, dan dioda. Sehingga energi yang tersimpan pada induktor akan turun
sampai saklar S menutup (ON) kembali pada siklus berikutnya.
(a) (b)
Gambar 3.2 (a) State ON (Saklar Tertutup) (b) State OFF (Saklar Terbuka)
IL IO IS IC
8
Bentuk gelombang sinyal keluaran tegangan dan arus pada boost converter
ditunjukkan oleh gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sinyal Keluaran Tegangan dan Arus pada Boost Converter[3]
Dapat diasumsikan bahwa arus pada induktor naik secara linier dari I1 sampai I2
dengan waktu t1. Sehingga dapat dituliskan persamaan sebagai berikut.
Diasumsikan pula bahwa arus pada induktor menurun secara linier dari I2 ke I1
dengan waktu t2. Sehingga dapat dituliskan persamaan sebagai berikut.
t1 t2
9
merupakan riak arus dari puncak ke puncak pada induktor. Dari nilai yang
didapatkan dari dan , dapat dituliskan persamaan sebagai berikut.
Dengan dan , maka akan didapat besarnya nilai tegangan keluaran
rata-rata, yaitu
sehingga menjadi
Sehingga besarnya tegangan keluaran bergantung juga pada besarnya siklus kerja (duty
cyle) .
Dengan mensubtitusikan
ke dalam persamaan tersebut, akan didapat
persamaan yaitu,
Dengan diasumsikan bahwa rangkaian tersebut merupakan rangkaian ideal maka didapat
persamaan
dan besarnya arus masukan rata-rata yaitu
Sehingga besarnya arus keluaran kurang dari besarnya arus induktor dengan faktor
.
Periode pensaklaran T yaitu
dan didapatkan besarnya riak arus puncak ke puncak yaitu
Saat saklar ON, arus dari kapasitor akan mengalir ke beban untuk . Besarnya
arus rata-rata kapasitor selama adalah . Besarnya riak tegangan puncak ke puncak
pada kapasitor yaitu
10
dengan
, maka
Untuk kondisi arus induktor dan tegangan kapasitor yang kontinyu, maka riak arus
induktor , dengan merupakan arus rata-rata induktor. Dari persamaan besarnya
riak arus dan tegangan rata-rata keluaran, akan didapat
dan didapat besarnya induktor yaitu
Jika merupakan tegangan rata-rata kapasitor, besarnya tegangan riak kapasitor yaitu
. Dari persamaan besarnya riak tegangan, akan didapat
dan didapat besarnya kapasitor yaitu
3.2 Kontrol ON-OFF
Pada sistem kontrol ON-OFF, elemen aktuasi bekerja pada dua keadaan yaitu ON
dan OFF. Karena kerja dari kontrol ini adalah ON-OFF saja, maka hasil keluaran sistem
menyebabkan proses variabel tidak pernah konstan. Besar dan kecilnya rentang proses
variabel ditentukan oleh titik dimana kontroler berada dalam keadaan ON dan OFF. Sinyal
kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan lainnya bergantung
pada nilai error positif dan negatif.
Dimana = sinyal kontrol
= sinyal error.
11
Kerja dari kontrol ON-OFF ditunjukkan oleh gambar 3.4.
Gambar 3.4 Kerja ON-OFF
Kontroler dua keadaan ini dapat dijumpai pada komponen elektrik (saklar/relai) dan
pada komponen pneumatik (katup dan silinder). Ilustrasi dari penggunaan kontroler
tersebut ditunjukkan oleh gambar 3.5.
Gambar 3.5 Penggunaan Kontroler ON-OFF
Dari gambar, jika output lebih besar dari set point, maka akan OFF dan akan turun
dengan sendirinya hingga menyentuh set point lagi. Sehingga sinyal kontrol akan kembali
ON dan mengembalikan output ke set point-nya, dan berulang seterusnya.
Penggunaan kontrol ON-OFF dapat ditemui dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya
adalah pengontrolan keran air untuk mengatur volume bak air agar memiliki volume yang
tetap, dimana terdapat lubang pada dasar bak air. Mata sebagai sensor yang mendeteksi
level volume air sebagai umpan balik untuk buka tutup keran air.
Gambar 3.6 Kontrol ON-OFF pada Level Volume Air
Di sisi lain, kontrol ON-OFF memiliki kelemahan yaitu output akan berosilasi di
sekitar set point, sehingga menyebabkan aktuator bekerja keras untuk switch ON atau OFF
dengan frekuensi tinggi dan akan menyebabkab kontroler akan mengonsumsi lebih banyak
energi.
Sinyal Kontrol ON-OFF Output Set Point Waktu (s)
OFF ON OFF ON OFF ON Waktu (s)
Kontrol ON-OFF
12
Untuk mengatasi hal tersebut, digunakan band pada set point untuk mengurangi
frekuensi ON-OFF dari kontroler.
Gambar 3.7 Penggunaan Kontroler ON-OFF dengan Band/Gap
Dari gambar, sinyal kontrol menjadi OFF saat output menyentuh batas atas dan
menjadi ON saat menyentuh batas bawah. Band tersebut juga disebut differential gap. Di
samping keadaan tersebut, pengaturan differential gap dapat mengurangi frekuensi ON-
OFF yang berakibat pada penurunan akurasi terhadap set point.
3.3 Mikrokontroler ATMega8535
ATMega8535 merupakan mikrokontroler 8-bit yang memiliki kemampuan tinggi
dengan daya rendah. ATMega8535 didasarkan pada arsitektur RISC (Reduce Instruction
Set Computer) dengan throughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16 MHz.
Gambar 3.8 Pinout dan IC Mikrokontroler ATMega8535
ATMega8535 memiliki kapasitas Flash memori 8 KByte, EEPROM 512 Byte dan
SRAM 512 Byte. Saluran I/O yang terdapat pada ATMega8535 adalah sebanyak 32 buah,
yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. ATMega8535 memiliki CPU yang terdiri atas 32
buah register dan memiliki unit interupsi internal dan eksternal serta terdapat Port USART
Sinyal Kontrol ON-OFF Output Set Point Waktu (s)
13
untuk komunikasi serial[3]
. Beberapa fitur Peripheral yang dimiliki mikrokontroler
ATMega8535[4]
diantaranya adalah :
1. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan.
a. Dua buah Timer/Counter 8 bit dengan Prescaler terpisah dan Mode
Compare
b. Satu buah Timer/Counter 16 bit dengan Prescaler terpisah, Mode Compare,
dan Mode Capture
2. Real Time Counter dengan Oscillator tersendiri
3. Empat kanal PWM
4. Delapan kanal, 10-bit ADC
a. Delapan Single-ended Channel
b. Tujuh Differential Channel hanya pada kemasan TQFP
c. Dua Differential Channel dengan Programmable Gain 1x, 10x, atau 200x
5. Byte-oriented Two-wire Serial Interface
6. Programmable Serial USART
7. Antarmuka SPI
8. Watchdog Timer dengan oscillator internal
9. On-chip Analog Comparator
Mikrokontroler ATMega8535[4]
memiliki beberapa fitur khusus diantaranya :
1. Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection
2. Internal Calibrated RC Oscilllator
3. External and Internal Intterupt Sources
4. Enam Sleep Modes : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down,
Standby and External Standby
ATMega8535 terdiri dari 40 pin pada PDIP, yaitu pin VCC sebagai masukan catu
daya, pin GND sebagai ground, tujuh pin Port A sebagai I/O dan pin masukkan ADC,
tujuh pin Port B sebagai I/O dan beberapa fungsi khusus lainnya, tujuh pin Port C sebagai
I/O dan beberapa fungsi khusus lainnya, tujuh pin Port D sebagai I/O dan beberapa fungsi
khusus lainny, pin RESET untuk me-reset mikrokontroler, pin XTAL1 dan XTAL2
sebagai pin masukan clock eksternal, pin AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk
ADC, dan pin AREF sebagai pin masukan tegangan referensi ADC.
14
ATMega8535 bekerja pada tegangan operasi 2.7-5.5 V dan speed grades 0 - 8 MHz
untuk ATMega8535L serta tegangan operasi 4.5-5.5 V dan speed grades 0 - 16 MHz untuk
ATMega8535.
ATMega8535 memiliki tiga buah timer, yaitu Timer/Counter 0 (8 bit),
Timer/Counter 1 (16 bit), dan Timer/Counter 2 (8 bit).
3.3.1 Timer/Counter 8 bit
Timer/Counter 0 dan Timer/Counter 2 merupakan Timer/Counter 8 bit yang
mempunyai beberapa fungsi. Fitur yang dimiliki Timer/Counter 8 bit[4]
yaitu:
a. Counter satu kanal
b. Timer dinolkan saat match compare (autoreload)
c. Glitch-free, Phase Correct Pulse Width Modulation (PWM)
d. Frekuensi Generator
e. 10 bit clock prescaler
f. Interupsi timer yang disebabkan timer overflow (TOVn) dan compare match
(OCFn)
Beberapa mode-mode operasi Timer diantaranya adalah sebagai berikut.
1. Mode Normal
Timer digunakan untuk menghitung saja, membuat delay, menghitung selang
waktu.
2. Mode PWM, phase correct
Memberikan bentuk gelombang phase correct PWM resolusi tinggi. Mode phase
correct PWM berdasarkan operasi dualslope. Counter menghitung berulang-
ulang dari BOTTOM ke MAX dan dari MAX ke BOTTOM.
Gambar 3.9 Phase Correct PWM Mode, Timing Diagram[4]
15
3. Clear Timer on Compare Match (CTC)
Nilai timer yang ada pada TCNTn akan di-nolkan lagi jika TCNTn sudah sama
dengan nilai yang ada pada register OCRn, sebelumnya OCR diset dulu, karena
timer 0 dan 2 maksimumnya 255, maka range OCR 0-255.
Gambar 3.10 CTC Mode, Timing Diagram[4]
4. Fast PWM
Memberikan pulsa PWM frekuensi tinggi. Fast PWM berbeda dengan mode
PWM lain, Fast PWM berdasarkan operasi single slope. Counter menghitung
dari BOTTOM hingga TOP kemudian kembali lagi mulai menghitung berawal
dari BOTTOM.
Gambar 3.11 Fast PWM mode, Timing Diagram[4]
3.3.2 Timer/Counter 16 bit
Timer/Counter 1 adalah 16-bit Timer/Counter yang memungkinkan program
pwaktuan lebih akurat. Berbagai fitur dari Timer/Counter 1 adalah sebagai berikut[4]
.
a. Desain 16 bit (juga memungkinkan 16 bit PWM)
b. Dua buah compare unit
16
c. Duah buah register pembanding
d. Satu buaah input capture unit
e. Timer dinolkan saat match compare (autoreload)
f. Dapat menghasilkan gelombang PWM dengan glitch-free
g. Periode PWM yang dapat diubah-ubah
h. Pembangkit frekuensi
i. Empat buah sumber interupsi (TOV1, OCF1A, OCF1B, dan ICF1)
Pada mode normal, TCNT1 akan menghitung naik dan membangkitkan interrupt
Timer/Counter 1 ketika nilainya berubah dari 0xFFFF ke 0x0000. Untuk menggunkan
timer yang menghitung mundur cukup dengan memasukkan nilai yang diinginkan ke
TCNT1 dan menunggu sampai terjadi interrupt, tetapi untuk timer yang menghitung maju,
maka nilai yang dimasukkan ke dalam TCNT1 nilainya harus 65536 – (timer value).
3.3.3 CodeVisonAVR
CodeVisionAVR[5]
merupakan alat bantu pemrograman menggunakan bahasa C
ANSI yang digunakan sebagai editor dan compiler untuk mikrokontroler AVR yang
bekerja dalam lingkungan pengembangan perangkat lunak yang terintegrasi (Integrated
Development Environtment, IDE). CodeVisionAVR dapat bekerja pada Windows 2000,
XP, Vista, Windows 7 32 bit daan 64 bit.
CodeVisonAVR dilengkapi dengan source code editor, compiler, linker dan dapat
memanggil Atmel AVR Studio untuk debugger-nya. CodeVisonAVR versi evaluasi dapat
digunakan secara gratis, dengan kapasitas program maksimum dua kilobytes. Versi standar
yang komersil dapat memanfaatkan seluruh kapasitas memori mikrokontroler yang ada.
Pada Integrated Development Environment (IDE) terdapat AVR Chip In-System
Programmer yang mengirimkan program secara otomatis ke dalam chip mikrokontroler
setelah selesai melakukan kompilasi (assembly). In-System Programmer software[5]
dapat
bekerja pada Atmel STK500, STK600, AVRISP, AVRISP MkII, AVR Dragon, AVRProg,
Kanda Systems STK200+, STK300, Dontronics DT006, Vogel Elektronik VTEC-ISP,
Futurlec JRAVR and MicroTronics' ATCPU, Mega2000 development boards.
17
Gambar 3.12 Tampilan Software CodeVisionAVR
CodeVisionAVR mudah digunakan karena menggunakan CodeWizardAVR
Automatic Program Generator[5]
yang memudahkan untuk pengaturan program pada
mikrokontroler, yaitu untuk konfigurasi USART, Analog Comparator, ADC, SPI, I2C, 1
Wire, 2 Wire (I2C), LCD, Bit-Banged, Project Information, Chip, Port, External IRQ,
Timer.
Gambar 3.13 Tampilan CodeWizardAVR Automatic Program Generator
18
BAB IV
PELAKSANAAN KERJA PRAKTEK
4.1 Perancangan Piranti Keras
Piranti keras terdiri dari blok konverter boost, blok kontroler, dan blok sensor arus.
Pada blok boost converter terdapat rangkaian boost converter dengan menggunakan dua
pensaklaran elektrik. Pada blok kontroler terdapat mikrokontroler yang telah ditanam
sistem kontrol. Sedangkan blok sensor arus digunakan untuk mengetahui nilai arus yang
melewati induktor IL sebagai sebagai umpan balik pada sistem kontrol dan rangkaian
pengkondisi sinyal sensor arus. Rangkaian dari keseluruhan blok ditunjukkan oleh gambar
berikut.
Gambar 4.1 Rangkaian Keseluruhan Blok Sistem
19
4.1.1 Konverter Boost
Rangkaian boost converter ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 4.2 Rangkaian Boost Converter
Diinginkan spesifikasi dari boost converter yaitu :
Tegangan masukkan VS = 5V
Tegangan keluaran Va = 8V
Beban resistor R = 6
Frekuensi Chopping f = 21684,71 Hz
Riak arus yang diinginkan I = 1mA (0,02%)
Riak tegangan yang diinginkan V = 5mV (0,1%)
Dengan menggunakan persamaan 3.9, dapat dihitung besarnya nilai induktor yang
digunakan yaitu,
Sedangkan untuk menentukan besarnya nilai kapasitor, digunakan persamaan 3.12.
Dengan
dan
Sehingga didapat,
PWM High
PWM Low Sensor arus
1,5 mH
470 uH
20
Sehingga didapat besarnya nilai kapasitor dan induktor pada rangkaian boost converter
adalah 4700μF dan 100 mH. Sehingga, boost converter yang dirancang memiliki
spesifikasi sebagai berikut.
Tabel 4.1 Spesifikasi Boost Converter
Tegangan masukkan 5 V
Tegangan keluaran 8 V
Induktor 100 mH
Kapasitor 4700 uF
Beban resistor 6
Pada kerja praktek ini, boost converter yang digunakan menggunakan dua buah
mosfet IRFZ44 untuk pensaklaran. Kedua buah mosfet akan ON dan OFF secara bergantian
satu sama lain. Mosfet IRFZ44[6]
mampu bekerja dengan frekuensi pensaklaran yang tinggi
(fast switching) dan mampu bekerja pada suhu operasi maksimum 175 oC. Di samping itu,
juga memiliki tegangan breakdown VDSS sebesar 55 Volt dan arus drain ID maksimum
sebesar 49 Ampere pada suhu 25oC dan maksimum sebesar 35 Ampere pada suhu 100
oC.
Resistansi dalam mosfet IRFZ44 RDS(on) sebesar 17,5 m pada kondisi VGS = 10V dan ID
= 25A dengan lebar pulsa ≤ 400μs dan siklus kerja (duty cycle) ≤ 2%. IRFZ44 memiliki
waktu naik maksimum 75nS dan waktu turun maksimum 40nS. Waktu tunda yang
dibutuhkan mosfet saat Turn-On td(on) adalah 12ns dengan waktu naik (rise time) tr = 60ns.
Sedangkan waktu tunda saat Turn-Off td(off) 44ns adalah dengan waktu turun (fall time) tf =
45ns. Waktu tunda tersebut berada pada kondisi VDD = 28V, ID = 25A, RG = 12, VGS =
10V, lebar pulsa ≤ 400μs dan siklus kerja (duty cycle) ≤ 2%.
Gambar 4.3 Mosfet IRFZ44
4.1.2 Sensor Arus dan Pengkondisi Sinyal
4.1.2.1 Sensor Arus ACS712
Sensor arus ACS712 (gambar 4.5) digunakan pada pengukuran arus AC atau DC di
dunia industri, otomotif, komersil dan sistem komunikasi. Pada umumnya sensor ini
digunakan untuk mengontrol motor, deteksi beban listrik, switched-mode power supplies,
dan proteksi beban berlebih[7]
.
S
D
G
21
Gambar 4.4 Sensor Arus ACS712
Sensor arus terdiri dari rangkaian sensor hall-effect yang linier, low-offset, dan
presisi. Saat arus mengalir di jalur tembaga pada bagian pin 1-4, maka rangkaian sensor
efek-hall akan mendeteksinya dan mengubahnya menjadi tegangan yang proporsional
dengan arus yang dikur. Blok diagram dan konfigurasi pin dari sensor arus ACS712
ditunjukkan oleh gambar 4.4 dan 4.5
Gambar 4.5 Blok Diagram ACS712
[7]
Gambar 4.6 Konfigurasi Pin ACS712
Beberapa fitur yang dimiliki sensor arus ACS712[7]
yaitu :
Memiliki sinyal analog dengan sinyal ganguan rendah (low-noise)
Memiliki bandwidth 80 kHz
Total output error 1.5% pada Ta = 25°C
Memiliki resistansi dalam 1.2 mΩ
22
Tegangan sumber operasi tunggal 5.0V
Sensitivitas keluaran: 66 sd 185 mV/A
Tegangan keluaran proporsional terhadap arus AC ataupun DC
Fabrikasi kalibrasi
Tegangan offset keluaran yang sangat stabil
Hysterisis akibat medan magnet mendekati nol
Rasio keluaran sesuai tegangan sumber
IP+ dan IP- dari pin ACS712 terhubung pada rangkaian boost converter. Kapasitor
1nF digunakan sebagai filter sensor arus, sedangkan kapasitor 0,1uF digunakan sebagai
filter pada sumber tegangan Vcc. Sensor arus dicatu oleh tegangan 5V yang terhubung ke
Vcc. Keluaran sensor arus Vout terhubung ke rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus.
Berikut ini adalah gambar rangkaian dari sensor arus dari ACS712.
Gambar 4.7 Rangkaian Sensor Arus ACS712
Saat tidak ada arus yang terdeteksi pada sensor arus ACS712, maka keluaran sensor
adalah 2,5 V. Saat arus mengalir dari IP+ ke IP-, maka keluaran akan lebih dari 2,5 V.
Sebaliknya ketika arus listrik mengalir dari IP- ke IP+, maka keluaran akan kurang dari 2,5
V.
Gambar 4.8 Grafik Tegangan Keluaran Terhadap Arus yang Terdeteksi
0
1
2
3
4
5
-5 -2,5 0 2,5 5
Vo
ut
(V)
Ip (A)
Vcc=5V
23
4.1.2.2 Pengkondisi Sinyal Sensor Arus
Pada pendeteksian arus -5A sampai dengan 5A, pengkondisi sinyal sensor arus
mengubah level tegangan keluaran sensor arus (1,5V–3,5V) ke dalam level tegangan
masukkan ADC mikrokontroler (0V–5,0V) .
Gambar 4.9 Perubahan Grafik Tegangan Keluaran Terhadap Arus
Pengkondisi sinyal sensor arus terdiri dari rangkaian subtractor dan inverting.
Rangkaian subtractor yang digunakan hanya terdiri dari satu buah opamp U1 dengan
persamaan tegangan keluaran
. Tegangan
yang dihasilkan pada RV1 digunakan untuk menggeser nilai sinyal masukkan sebesar
1,5V. Opamp U2 bersifat inverting dengan persamaan tegangan keluaran
. Zener 5,1 V digunakan untuk membatasi keluaran agar tidak lebih dari 5,1 V.
Gambar 4.10 Rangkaian Pengkondisi Sensor Arus
1,5
2,5
3,5
0
1
2
3
4
5
-5 0 5 Ip (A)
0
-1
-2
-5
-4
-3
-2
-1
0 -5 0 5 Ip (A)
0
2,5
5
0
1
2
3
4
5
-5 0 5
Ip (A)
Minus 1,5 V
Gain = -(5,0/2,0) = -2,5 V
24
Kapasitor C1 pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus yang ditunjukkan oleh
gambar 4.9, digunakan pada umpan balik opamp untuk menaikkan kestabilan frekuensi
yang dapat mengurangi osilasi dan pengaruh derau. Tapis yang digunakan merupakan low
pass filter (LPF) untuk melewatkan sinyal dengan frekuensi rendah dan melemahkan
sinyal derau pada frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cut-off.
Pelemahan sinyal terjadi dikarenakan oleh peredaman sinyal berferekuensi tinggi
10kHz yaitu di atas frekuensi cut-off. Frekuensi cut-off dari Low Pass Filter pada
rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus adalah 338,628 Hz. Sehingga filter pada
rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus berfungsi dengan baik.
Besarnya frekuensi cut-off ditunjukkan oleh persamaan berikut.
Gambar 4.11 Rangkaian Active Low Pass Filter
Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus dengan besarnya
kapasitor C1 adalah 47nF dan resistor R4 adalah 10k, sehingga didapatkan frekuensi cut-
off sebesar 338,628 Hz.
Besarnya frekuensi cut-off dapat dihitung dari persamaan berikut.
Fungsi transfer dari filter aktif LPF ditunjukkan oleh persamaan berikut.
dengan = penguatan (gain) =
25
= frekuensi cut-off (rad/s) =
= frekuensi masukan (rad/s) =
Dan besarnya penguatan tegangan Active Low Pass Filter dapat dituliskan dalam satuan dB
sebagai berikut.
Operasi dari Low Pass Filter pada rentang frekuensi tertentu berdasarkan besarnya
penguatan (gain) adalah sebagai beikut.
Frekuensi rendah, yaitu saat frekuensi sinyal masukan lebih rendah dari frekuensi cut-
off .
Frekuensi cut-off, yaitu saat frekuensi sinyal masukan sama dengan frekuensi cut-off
.
Frekuensi tinggi, yaitu saat frekuensi sinyal masukan lebih tinggi dari frekuensi cut-off
.
Low Pass Filter dalam domain frekuensi terhadap penguatan tegangan (gain), ditunjukkan
oleh gambar bode berikut ini.
Gambar 4.12 Bode Plot dari Low Pass Filter
26
Simulasi untuk pengujian rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus ditunjukkan oleh
gambar sebagai berikut.
Gambar 4.13 Simulasi Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Arus
Simulasi untuk pengujian rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus dilakukan untuk
beberapa nilai tegangan masukan, dan diukur nilai keluaran tegangan dari dari Opamp 1
dan opamp 2. Data hasil dari pengujian tersebut, ditunjukkan oleh tabel 4.2. Sedangkan
hasil keluaran dari Opamp1 dan Opamp2 ditunjukkan oleh gambar 4.14 beserta kondisi
idealnya. Nilai error rata-rata antara hasil perhitungan dan hasil simulasi dari Opamp1 dan
Opamp2 adalah 1,06% dan 1,94%. Sehingga rangakaian pengkondisi sinyal sensor arus
tersebut berfungsi dengan baik.
Tabel 4.2 Hasil Simulasi Pengujian Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Arus
Vin (Volt) Vout Opamp1 (Volt) Vout Opamp2 (Volt)
1,5 -0,01 0,03
1,75 -0,26 0,66
2,00 -0,51 1,29
2,25 -0,75 1,91
2,50 -1,01 2,54
2,75 -1,26 3,16
3,00 -1,51 3,79
3,25 -1,76 4,41
3,50 -2,01 4,89
R1
10k
Vin
R2
10k
+5V
U1OPAMP
R9
10k
C1
47nF
R10
1k
U2OPAMP
75%
RV2
10k
33%
RV4
10kR1210k
C2
1nF
Sinyal Keluaran
D21N4733A
Vout 1
Volts
+0.03
Volts
+1.50
Volts
-0.01
R11
10k
Vout 2
R1(1)
Sinyal Masukan
27
(a) Tegangan Keluaran Opmap 1
(a) Tegangan Keluaran Opamp 2
Gambar 4.14 Grafik Tegangan Keluaran Opamp Terhadap Tegangan Masukan pada
Rangkaian Pengkondisi Sinyal Sensor Arus
Untuk mengetahui kinerja dari Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal
sensor arus, dilakukan pengujian dengan menggunakan masukan sinyal sinus frekuensi
dengan frekuensi 10kHz. Gambar sinyal masukan dan sinyal keluaran pada rangkaian
pengkondisi sinyal sensor arus ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 4.15 Hasil Simulasi Kinerja Low Pass Filter dengan Sinyal Masukan 10kHz
-2,5
-2
-1,5
-1
-0,5
0 -5 -3,75 -2,5 -1,25 0 1,25 2,5 3,75 5
Vout (V)
Ip(A)
Perhitungan Simulasi
0
1
2
3
4
5
6
-5 -3,75 -2,5 -1,25 0 1,25 2,5 3,75 5
Vout (V)
Ip(A)
Perhitungan Simulasi
28
Pada gambar 4.11 garis merah menunjukkan sinyal masukan, garis hijau
menunjukkan sinyal keluaran Opamp 1 dan garis biru menunjukkan sinyal keluaran
Opamp 2. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa sinyal keluaran mengalami
pelemahan sinyal dengan besarnya amplitudo sinyal keluaran Opamp1 dan Opamp 2 yang
lebih kecil dari sinyal masukan. Hal tersebut sesuai dengan kurva penguatan (gain)
terhadap domain frekuensi seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.9.
4.2 Perancangan Piranti Lunak
4.2.1 Pemrograman PWM (Pulse width Modulation)
PWM berfungsi untuk menghasilkan sinyal ON-OFF. Timer/Counter yang
digunakan untuk menghasilkan sinyal PWM adalah Timer/Counter 1 (16 bit) dan
Timer/Counter 2 (8 bit). Timer/Counter 1 (16 bit) digunakan untuk mengatur PWM pada
mosfet yaitu menggunakan register OCR1A untuk PWM high pada mosfet high dan
register OCR1B untuk PWM low pada mosfet low.
Gambar 4.16 Sinyal Pulsa PWM High dan PWM Low
Digunakan deadband 1% pada pembangkitan sinyal PWM antara PWM High dan
PWM Low. Siklus kerja (duty cycle) yang digunakan dari PWM High dan PWM Low
adalah sebesar 99%. Hal tersebut digunakan agar terdapat jeda waktu antara PWM High
dan PWM Low untuk bekerja secara bergatian dan untuk menghindari hubungan singkat.
Untuk menghasilkan PWM high/low beberapa parameter ditentukan dan diatur pada
CodeWizardAVR Automatic Program Generator.
PWM HIGH
PWM LOW
PWM Low Start PWM High Start PWM Low Stop
PWM High Stop
Duty Cycle 99%
Duty Cycle 99%
461nS
29
Gambar 4.17 Inisialisasi Timer/Counter 1
Mode Timer/Counter 1 yang digunakan adalah mode Phase Correct PWM
top=0x00FF. Timer/Counter 1 mencacah dari BOTTOM = 0x0000 ke MAX = 0x00FF dan
dari MAX = 0x00FF ke BOTTOM = 0x0000. Keluaran dari channel A dan B adalah
inverted yaitu output A dan output B akan high saat nilai TCNT1A/TCNT1B sama dengan
nilai OCR1A/OCR1B. Frekuensi PWM yang dihasilkan oleh Timer/Counter 1 adalah
Penentuan siklus kerja pada mikrokontroler ditunjukkan oleh persamaan berikut.
Nilai duty cycle yang digunakan harus dikurangkan terlebih dahulu dengan 100%,
sebab out PWM yang digunakan pada inisialisasi Timer/Counter 1 adalah inverted. Dari
persamaan tersebut akan didapat nilai PWM yang dimasukkan ke dalam register OCR1A
dan OCR1B untuk menghasilkan pulsa PWM.
Berikut adalah hasil uji simulasi penggunaan deadband 1% pada pembangkitan
sinyal PWM antara PWM High (Garis Biru) dan PWM Low (Garis Merah) dengan siklus
kerja (duty cycle) 99%, seperti yang ditunjukkan oleh gambar 4.18.
30
Gambar 4.18 Hasil Simulasi Penggunaan Deadband pada Pembangkitan Sinyal PWM
Periode PWM yang dihasilkan dari mikrokontroler adalah 46,115μS ≈
1/(21684,71Hz). Dari hasil perancangan, siklus kerja (duty cycle) 99% dan deadband 1%
memberikan hasil waktu 461nS (1/100x46,115 μS). Sedangkan pada hasil simulasi, dengan
siklus kerja (duty cylce) 99% (OCR1A/B=0,99x255=252,45≈253), memberikan hasil
waktu deadband yaitu 374nS. Hasil simulasi sudah mendekati hasil peracangan. Nilai
selisih dari hasil simulasi dan perhitungan sebesar 87nS disebabkan oleh pembulatan nilai
pada OCR1A/B . Sehingga pembangkitan sinyal PWM dengan penggunaan deadband 1%
dapat berfungsi dengan baik.
4.2.2 Pemrograman ADC
ADC digunakan untuk mengubah level tegangan keluaran sensor arus ke dalam
rentang nilai ADC 10 bit (0-1023) untuk diolah dalam mikrokontroler. Output dari sensor
Duty Cycle 99% OCR1A/B=253
374nS
31
arus masuk ke PortA.0 (ADC 0) untuk dibaca nilai ADC-nya. Besarnya clock yang
digunakan untuk proses pembacaan nilai ADC adalah 691,200 kHz.
Gambar 4.19 Inisialisasi ADC
4.2.3 Integrasi Keseluruhan Blok pada Program
Program menggunakan blok-blok yang terdapat pada CodeVisionAVR yaitu PWM
(Pulse Width Modulation) yang dihasilkan oleh Timer/Counter, GPIO (General Purpose
Input Output), dan ADC (Analog Digital Converter). Penggunaan register dari tiap blok
ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 4.20 Diagram Blok Inisialisasi pada Mikrokontroler ATMega8535
ATMega8535
PWM GENERATOR
REF ARUS TETAP
Analog Digital Converter
+
- Sensor
Arus
PWM HIGH
PWM LOW ADC0
OCR1A
OCR1B
32
4.3 Kontrol Arus dengan Menggunakan ON-OFF
Dalam penelitian ini, diinginkan boost converter dapat menaikkan tegangan
masukkannya sehingga diperoleh tegangan keluaran yang konstan dan lebih tinggi. Hal
tersebut dilakukan dengan kontrol arus induktor yang dilakukan dengan teknik kontrol
ON-OFF dengan waktu cuplik Ts, waktu yang dibutuhkan agar terjadi interupsi. Nilai
referensi arus yang digunakan sebagai pembanding nilai sensor arus, mempunyai nilai
yang tetap. Hasil keluaran dari komparasi tersebut, digunakan untuk membangkitkan PWM
Generator untuk menghasilkan pulsa PWM High ataupun PWM Low yang mengatur
buka/tutup saklar elektrik mosfet.
Gambar 4.21 Blok Diagram Sistem Pengontrolan Boost Converter
Diagram alir untuk sistem pengontrolan siklus kerja (duty cyle) pada boost converter, yang
ditanamkan pada ATMega8535 ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 4.22 Diagram Alir Program Sistem Pengontrol Duty Cycle pada ATMega8535
MULAI
Inisialisasi PWM,
GPIO, ADC
Baca nilai
ADC sensor
1. Nilai referensi arus
3. Komparasi nilai referensi
arus - pembacaan sensor
PWM
generator
Boost Converter
Referensi
arus
Sensor Arus
Arus
Induktor
Kontrol Arus
33
Algoritma program dari sistem kontrol ON-OFF adalah sebagai berikut.
Saat program dijalankan, maka pada waktu tertentu akan muncul interrupt dari
Timer/Counter 1. Saat terjadi interrupt tersebut, program akan menjalankan rutin program
yaitu membaca nilai ADC dari keluaran sensor arus kemudian dibandingkan dengan nilai
referensi tetap arus dan kemudian akan mengatur PWM Generator untuk menghasilkan
nilai siklus kerja (duty cycle) yang mengatur ON/OFF dari OCR1A dan OCR1B dan akan
menghasilkan sinyal pulsa PWM. Besarnya nilai dari siklus kerja (duty cycle) yang
digunakan adalah 99% dari 255 yaitu 253.
4.4 Hasil Uji Simulasi dan Pembahasan
Berikut akan ditunjukkan hasil uji simulasi hasil keluaran program dari sistem
pengontrolan siklus kerja (duty cycle) yang diterapkan pada rangkaian boost converter.
Pada gambar, sumbu horisontal menunjukkan waktu dan sumbu vertikal menunjukkan
sinyal keluaran. Uji simulasi program digunakan untuk mengetahui karakteristik dari
sinyal keluaran yang diterapkan pada boost converter.
Uji coba simulasi dilakukan untuk beberapa referensi arus, yaitu 0A s/d 5A atau 512
bit s/d 1024 bit. Di dalam mikrokontroler, tegangan masukan ADC dikuantisasi menjadi 10
bit, sehingga besarnya arus -5A s/d +5A setara dengan 0 bit s/d 1024 bit. Sehingga, -5A
setara dengan 0 bit, 0A setara dengan 512 bit, dan +5A setara dengan 1024 bit. Algoritma
pemrograman untuk proses tersebut adalah sebagai berikut.
iref=2; // besarnya arus referensi (A)
i_sens=read_adc(0); //pembacaan nilai adc sekarang
ref=((iref*0.2)*512)+512 ; //nilai ref nilai ADC 10 bit
if (i_sens <=ref)
{OCR1A=0;OCR1B=253;}
else
{OCR1A=253;OCR1B=0;}
//pembacaan nilai adc sekarang
i_sens = read_adc(0);
//jika kurang dari nilai referensi tetap arus, maka
//PWM high = 0 PWM low = 1 dan sebaliknya
if ( i_sens <=ref) { OCR1A=0;OCR1B=253;}
else {OCR1A=253;OCR1B=0;}
34
Besarnya arus keluaran induktor dan tegangan keluaran boost converter untuk
beberapa nilai referensi arus ditunjukkan oleh tabel 4.3.
Tabel 4.3. Hasil Simulasi Boost Converter untuk Beberapa Nilai Referensi Arus
Ref
arus
(A)
Arus
induktor
Boost (A)
1 0,938
2 1,93
3 2,93
4 3,93
5 4,90
Sedangkan grafik sinyal keluaran arus induktor, ditunjukkan oleh gambar berikut.
(a) Referensi Arus 1A (b) Referensi Arus 2A
(c) Referensi Arus 3A (d) Referensi Arus 4A
(e) Referensi Arus 5A
Gambar 4.23 Grafik Sinyal Keluaran Arus Induktor untuk Variasi Nilai Referensi Arus
35
Arus keluaran induktor dan tegangan keluaran pada boost converter dapat dihitung
dengan persamaan berikut.
Untuk nilai referensi 2A, maka tegangan keluaran pada boost converter adalah
Berdasarkan perhitungan dengan nilai arus hasil simulasi (1,93A), tegangan keluaran pada
boost converter adalah
Sedangkan berdasarkan hasil simulasi, tegangan keluaran pada boost converter adalah
Grafik dari tegangan keluaran boost converter tersebut ditunjukkan oleh gambar 4.24.
Gambar 4.24 Grafik Tegangan Keluaran Boost Converter
Dari hasil uji simulasi boost converter dengan berbagai nilai arus referensi, dapat
diketahui bahwa tegangan keluaran pada hasil uji simulasi lebih rendah dari hasil
perhitungan. Selain itu, daya keluaran boost converter lebih rendah dari daya masukannya.
Hal tersebut menunjukkan bahwa efisiensi dari boost converter yang dirancang, memiliki
efisiensi kurang dari 100%. Hal tersebut dikarenakan terdapat losses yaitu rugi-rugi daya
yang terjadi, pada boost converter salah satunya dalam bentuk panas yang terbuang.
36
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Dalam kerja praktek telah dilakukan simulasi kontrol arus pada konverter boost.
Dalam pembuatan kontrol, yang dilakukan adalah perancangan pengkondisi sinyal arus,
dan pembuatan program kontrol ON-OFF dengan menggunakan mikrokontroler.
Rangkaian pengkondisi sinyal yang dirancang dapat berfungsi dengan baik dan
menghasilkan level tegangan yang sesuai dengan keluaran tegangan pengkondisi sinyal
yang telah dirancang sesuai dengan perubahan grafik tegangan keluaran terhadap arus.
Selain itu, Low Pass Filter pada rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus dapat meredam
sinyal dengan frekuensi tinggi dan melewatkan sinyal yang berfrekuensi rendah.
Mikrokontroler sudah dapat menghasilkan deadband pada pembangkitan sinyal PWM
sesuai dengan perancangan, untuk memberikan PWM high dan PWM low pada boost
converter. Pemberian pulsa PWM bergantian antara PWM high dan PWM low.
Pengontrolan boost converter yang dilakukan dengan membandingkan nilai keluaran
sensor arus dengan nilai referensi yang tetap, dapat berfugsi dengan baik. Tegangan
keluaran rangkaian pengkondisi sinyal arus dibaca oleh ADC pada mikrokontroler dan
dibandingkan dengan nilai referensi tetap yang telah ditentukan.
Hasil simulasi untuk nilai arus referensi 1A sampai 5A, telah menunjukkan bahwa
besarnya arus induktor sama dengan besarnya arus referensi.
5.2 Saran
Konverter Boost yang telah dirancang dan disimulasikan dapat diaplikasikan ke
dalam perangkat keras. Selain menggunakan kontrol arus, sistem kontrol pada konverter
boost dapat ditambahkan kontrol tegangan pada beban agar tegangan keluaran yang
dihasilkan sesuai dengan hasil perancangan.
37
DAFTAR PUSTAKA
[1] Rashid, Muhammad H. 2004. Power Electronics Circuit, Device, and Applications,
3rd ed. United States of America : Pearson Prentice Hall.
[2] Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik Lembaga Ilmu Pengetahuan
Indonesia. http://www.telimek.lipi.go.id/.
[3] Andrianto, Heri. 2008. Pemrograman Mikrokontroler AVR Atmega16. Bandung :
Informatika.
[4] Atmel Corporation. 2006. 8-bit AVR Microcontroller with 8K bytes In-System
Programmable Flash, ATMega8535/ATMega8535L Datasheet Rev. 2502K–10/06.
[5] HP InfoTech S.R.L. 2010. C Compiler, Integrated Development Environtment,
automatic Program Generator and In-System Programmer for the ATMEL AVR
Family of Microcontrollers, CodeVisionAVR Help Topics Ver. 2.05.0
[6] International Rectifier. IRFZ44N HEXFET®
Power MOSFET Datasheet rev. PD -
94053.
[7] Allegro MicroSystems, Inc. 2007. Fully Integrated, Hall Effect-Based Linear
Current Sensor with 2.1 kVRMS Voltage Isolation and a Low-Resistance Current
Conductor, ACS712 Datasheet rev. 7.
38
LAMPIRAN
1. Daftar Program
#include <mega8535.h>
#include <delay.h>
#define ADC_VREF_TYPE 0x40
// Read the AD conversion result
unsigned int read_adc(unsigned
char adc_input)
{
ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE
& 0xff);
// Delay needed for the
stabilization of the ADC input
voltage
delay_us(10);
// Start the AD conversion
ADCSRA|=0x40;
// Wait for the AD conversion to
complete
while ((ADCSRA & 0x10)==0);
ADCSRA|=0x10;
return ADCW;
}
int i_sens;
float iref=2; //arus ref (A)
float ref;
// Timer1 overflow interrupt
service routine
interrupt [TIM1_OVF] void
timer1_ovf_isr(void)
{
//baca nilai adc
i_sens=read_adc(0);
//ref nilai ADC 10 bit
ref=((iref*0.2)*512)+512 ;
if (i_sens <=ref)
{OCR1A=0;OCR1B=253;}
else
{OCR1A=253;OCR1B=0;}
}
void main(void)
{
PORTA=0x00;
DDRA=0x00;
PORTD=0x00;
DDRD=0x30;
// Timer/Counter 1 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 11059,200 kHz
// Mode: Ph. correct PWM
top=0x00FF
// OC1A output: Inverted
// OC1B output: Inverted
// Noise Canceler: Off
// Input Capture on Falling Edge
// Timer1 Overflow Interrupt: On
// Input Capture Interrupt: Off
// Compare A Match Interrupt: Off
// Compare B Match Interrupt: Off
TCCR1A=0xF1;
TCCR1B=0x01;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
// Timer(s)/Counter(s)
Interrupt(s) initialization
TIMSK=0x04;
// ADC initialization
// ADC Clock frequency: 691,200
kHz
// ADC Voltage Reference: AVCC
pin
// ADC High Speed Mode: Off
// ADC Auto Trigger Source: ADC
Stopped
ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;
ADCSRA=0x84;
SFIOR&=0xEF;
#asm("sei")
while (1)
{
}
}
39
