PEMBANGUNAN KONTROL UNIT BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8

Transkripsi

1 PEMBANGUNAN KONTROL UNIT BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8 Oleh Julsam, Roswaldi, Kartika 1) Septa Ramal 2) 1) Staf Pengajar Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang 2) Mahasiswa Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang ISSN: ABSTRACT This article developed a pulse generator circuits for triggering three phase thyristor converter based on ATmega8 microcontroller follow the concept of a conventional triggering circuit. Detection of point of zero voltage alternating current source using the LM 393 comparator devices. Output of LM 393 is fed as an input to microcontroller as zero refference. Based on the ignition angle settings are provided through the potensiometer connected conceded ADC microcontroller generate striggering pulse with the current time reference zero point is detected. Based on the obtained results of testing done quite well, with a microcontroller capable of providing an appropriate point of ignition with expectations. The biggest error rate of 3.6% this circuits is. Keywords: Microcontroller, control units, thyristor, the zero crossing PENDAHULUAN Control unit merupakan suatu rangkaian kontrol yang berfungsi sebagai pengatur sudut penyalaan SCR. Control unit mengatur pulsa penyalaan α mulai dari 0 º - 180º. Rangkaian dari control unit ini terdiri dari rangkaian zero crossing, rangkaian pembangkit pulsa dan rangkaian output. Rangkaian pembangkit pulsa dibangun dari beberapa perangkat elektronik, antara lain rangkaian pembangkit gelombang gergaji, rangkaian komparator dan lain-lain (Rashid, Ary Prihatmanto dkk, 1996). Kerusakan pada salah satu bagian dari rangkaian pembangkit pulsa ini sering terjadi sehingga tidak dapat dioperasikan dengan baik. Mengingat permasalahan yang ditemukan diatas maka pada penelitian ini dirancang sebuah kontrol unit 6 pulsa yang memanfaatkan mikrokontroler sebagai perangkat pembangkit pulsa. Dengan mikrokontroler berarti rangkaian tersebut diciptakan melalui perangkat lunak yang dirancang khusus untuk keperluan tersebut. Blok diagram control unit 6 pulsa untuk sistim konverter 3 phasa diperlihatkan pada Gambar.1. Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

2 Gambar 1. Skema diagram Kontrol Unit Tujuan dari penelitian ini adalah, membangun kontrol unit untuk penyearah jembatan 3 fasa dengan menggunakan mikrokonroller dan melakukan pengujian kontrol unit untuk penyearah jembatan 3 fasa pada sistem penyearahan. Adapun permasalahan yang diteliti disini adalah, bagaimana mendeteksi titik yang dilintasi isyarat masukan AC waktu melalui nol (zero crossing), bagaimana pemanfaatan ADC pada Atmega8 untuk mengubah input analog menjadi digital sebelum masuk kerangkaian kontrol dan bagaimana memprogram IC ATMEGA8 agar dapat mengatur sudut penyalaan yang dinginkan. Tinjauan Teoritik Kontrol Unit Kontrol unit merupakan suatu alat elektronika yang digunakan untuk memberikan sinyal gerbang (trigger) terhadap elektroda gerbang (gate) dan katoda pada suatu thyristor atau komponen elektronika lainnya agar dapat beroperasi secara terkendal (Rashid, Ary Prihatmanto dkk 1996). Rangkaian zero crossing berfungsi untuk mendeteksi saat tegangan VAC melalui pada nilai nol volt. Titik ini merupakan acuan untuk menentukan nilai sudut penyalaan yang akan dibangkitkan. Contoh rangkaian zero crossing adalah IC komparator LM393 seperti pada gambar 2. Saat fase positif komparator akan menghasilkan output high (Vcc) dan saat fase negatif akan menghasilkan output low (0 volt) dengan output gelombang kotak dengan frekuensi sesuai dengan frekuensi ACnya yaitu 50 Hz. (Sumartono: kendali intensitas lampu berbasis mikrokontroler atmega8535) 58 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010

3 VCC 8 10k AC_IN Comparator 1 LM393 Output 4 ( a ) ( b ) Gambar 2. a. Rangkaian Zero Crossing Dengan Transistor BC549 (Rod Elliott 20 Jun 2005) b. Rangkaian Zero crossing dengan IC LM393 (Sumartono) Dengan adanya rangkaian sistem interface antara tegangan tinggi dan tegangan rendah maka diharapkan tidak terjadi rusaknya port mikrokonroller atau PC karena mendapat imbas tegangan tinggi dari aplikasi seperti motor AC. Keluaran dari Zero Crossing nantinya akan dimasukkan pada input mikrokonroller. Konverter Untuk pengendalian daya elektrik atau pengkondisian daya, konversi daya elektric dari suatu bentuk ke bentuk lain menjadi penting dan karakteristik pensaklaran dari devais-devais daya memungkinkan hal ini. Suatu konversi dapat dipandang sebagai matrik pensaklaran. Setiap system semi konduktor daya yang digunakan untuk meratakan (rectifying), inverting ataupun modulasi dari keluaran daya dari sumber energi AC atau DC disebut sebagai system converter atau sistem pengkondisian daya. (Rashid, Ary Prihatmanto dkk, 1996) Rangkaian Penyalaan Sebagaimana yang disebutkan diatas bahwa rangkaian elektronika daya dibagi menjadi 2 bagian, yaitu rangkaian kontrol dan rangkaian daya. Rangkaian daya merupakan rangkaian dengan tegangan tinggi yang besar dari 100 V, sedangkan rangkaian kontrol menggunakan tegangan rendah yaitu 12 sampai 30 V. rangkaian kontrol ini adalah rangkaian yang digunakan untuk menghasilkan pulsa pemicu (trigger) guna menyalakan komponen-komponen semikonduktor yang digunakan pada rangkaian dayanya seperti thyristor. Jadi rangkaian kontrol inilah yang disebut dengan rangkaian penyalaan tersebut. Rangkaian kontrol ini nantinya dihubungkan dengan elektroda gate dan katoda dari komponen semikonduktor yang digunakan. Thyristor Thyristor adalah suatu bahan semikonduktor yang tersusun atas 4 lapisan (layer) yang berupa susunan P- N-P-N junction, sehingga thyristor ini disebut juga sebagai PNPN diode. Mikrokonroller ATMEGA8 Mikrokonroller adalah sebuah sistem mikroprosesor dimana didalamnya sudah terdapat CPU, ROM, RAM, I/O, Clock dan peralatan internal lain yang sudah terhubung dan terorganisasi dengan baik oleh pabrik pembuatnya dan dikemas dalam suatu chip yang siap pakai. Sehingga kita tinggal memprogram isi ROM sesuai aturan penggunaan oleh pabrik pembuatnya (Ardi Winoto, 2008). Mikrokontroller Atmega8 (AVR) ini merupakan salah satu dari jenis Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

4 mikrokonroller CMOS 8 bit berdassarkan aristektur AVR RISc yang memiliki performa tinggi dengan disipasi daya yang tendah, serta untuk melakukan suatu perintah hanya membutuhkan 1 clok osilator, ukuran yang kecil serta mempunyai fasilitas yang lengkap, sehingga sangat cocok untuk dijadikan sebuah alat kontrol yang membutuhkan ukuran kecil serta daya rendah. Gambar 3. Chip ATMEGA 8 dalam kemasan PDIP Fitur-fitur yang ada pada mikrokonroller ATMEGA8 ini adalah memori program 8 Kb dengan flash memori 1000 tulis atau hapus, memori data SRAM dengan kapasitas 1 Kb dan EEPROM dengan kapasitas 512 byte METODOLOGI PENELITIAN Deskripsi Kerja Control unit 6 pulsa untuk thyristor pada rangkaian penyearah jembatan 3 fasa terdiri dari sumber tegangan 1 phasa untuk memberikan tegangan kerja ke rangkaian elektronika, sumber tegangan 3 phasa yang akan diatur oleh kontrol unit, penyearah menggunakan SCR untuk penyearah jembatan 3 phasa, optocoupler untuk isolasi antara tegangan AC dengan tegangan DC, mikrokonroller Atmega8 untuk mengkonverter masukan analog menjadi digital, dan potenshiometer yang digunakan untuk mengatur tegangan. dengan tulis dan hapus. Dan frekuensi pengoperasian hingga 16 MHz. memiliki 23 I/O yang dapat deprogram, 6 chanel ADC 10 bit, USART, TWI, Tiga PWM, Timer 16 bit dan counter 16 bit. Rangkaian penyearah menggunakan thyristor yang akan dikendalikan sudut penyalaannya oleh mikrokonroller, untuk menghindari agar rangkaian kontrol tidak dialiri oleh arus bolak balik yang seharusnya dialiri oleh arus searah, maka digunakan sebuah optocoupler sebagai rangkaian isolasinya. Model Perancangan Pada perancangan pembuatan kontrol unit pemicu converter dengan menggunakan mikrokonroller ini pada dasarnya adalah merancang sebuah yang digunakan sebagai pemicu converter, dimana yang dikontrol adalah sudut penyalaan thyristor. Pengontrolan sudut 60 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010

5 penyalaan thyristor ini menggunakan mikrokonroller Amega8. Gambar 4 memperlihatkan blok diagram kontrol unit 6 pulsa untuk kontrol konverter 3 phasa jembatan. Sumber Tegangan AC Penyearah Jembatan 3 Fasa Terkendali Output Pendeteksi Titik Nol Optocoupler Sudut Tunda Penyalaan Pembentuk Pulsa Dan Penguat Pulsa Gambar 4. Blok diagram kontrol unit Secara garis besar perancangan penyearah satu phasa berbasis mikrokonroller Atmega8 ini terdiri dari dua bagian yaitu, perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat kerasnya adalah sebagai berikut: - Rangkaian modul mikrokonroller - Rangkaian modul penyearah Dan perangkat lunaknya adalah sebagai berikut: - YAAP AVR Compiler (software yang digunakan untuk mengkompilasikan suatu objek yang bisa dipahami oleh mikrokonroller) - WINAVR GNU GCC (software yang digunakan untuk menuliskan program) Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

6 Flowchart Program MULAI Inisial LCD,TIMER1, dan I/O Mengambil data masukan sudut penyalaan thyristor melalui ADC Mengkonversi data digital Kedalam sudut dan menyimpan data ke Memori Mengaktifkan Interrupt TIMER1 Ya Mengaktifkan PWM1A Pada titik derajat sudut Penyalaan Ya Mengaktifkan PWM1B Pada titik derajat sudut Penyalaan Ya Mengaktifkan PWM1C Pada titik derajat sudut Penyalaan Nilai interrupt 0 dari 0 ke 1? Nilai interrupt 0 dari 1 ke 0? Nilai interrupt 0 dari 0 ke 1? Power On? Tidak Tidak Tidak Tidak SELESAI Gambar 5. Flowchart program 62 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010

7 Perancangan Perangkat Keras Zero crossing dan trigger VCC R1 T 2 220V/5V S AC IN 0 V D4 8 10k 3 + IC LM a) D3 In R1 IC2 R7 Ke scr b) Gambar 6. a. Rangkaian Zero Crossing dan b. Rangkaian trigger Rangkaian control unit Rancangan perangkat kontrol unit menggunakan mikroprosesor ATMEGA 8 sebagai pengontrol adalah sesuai dengan gambar 7. Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

8 HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 7. Rangkaian Kontrol Unit Hasil Penelitian Hasil penelitian berupa gabungan dari bebrapa blok rangkaian yang perlu diuji terlebih dahulu sebelum dijadikan rangkaian lengkap kontrol unit 6 pulsa. Pengujian dilakukan untuk mengetahui akurasi hasil yang diharapkan pada masing-masing blok rangkaian yang telah dirancang agar mendapatkan kinerja sistem yang sesuai dengan yang diharapkan. Pembahasan yang dilakukan mencakup: 1. Pengujian Zero Crossing 2. Pengujian sudut penyalaan yang dihasilkan oleh mikrokonroller 3. Pengujian keluaran penyearah jembatan 3 fasa terkendali Pengujian rangkaian Zero Crossing Pengujian terhadap rangkaian zero crossing dilakukan dengan cara memberikan tegangan bolak-balik melalui transformator pada input zero crossing sebesar 6 volt, kemudian output dari zero crossing dihubungkan dengan osciloscope. Untuk lebih memperjelas gelombang yang dihasilkan oleh zero crossing apakah sesuai dengan yang diharapkan atau tidak, yaitu memberikan sinyal output pada saat berada di titik nol, maka dilakukan pengukuran dari output penyearah. Pengukuran terhadap output dari zero crossing dengan output penyearah dilakukan bersamaan hingga kelihatan hasil pengukuran secara bersamaan dan dapat dibandingkan apakah sesuai dengan teori yang ada atau tidak. Pengujian rangkaian zerro crossing befungsi untuk mengetahui bentuk gelombang keluaran dari rangkaian. Untuk pengujian ini digunakan osciloscope. Pemasangan osciloscope sesuai dengan yang dilihatkan oleh gambar berikut ini: 64 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010

9 Gambar 8. Gelombang keluaran pada zero crossing Pengujian rangkaian pulsa sudut penyalaan Untuk pengujian sudut penyalaan ini juga menggunakan osciloscope, dalam pengukuran ini osciloscope dihubungkan ke pin OC1A untuk mengetahui perubahan lebar pulsa yang dihasilkan dengan cara merubah nilai potensiometer. Dari hasil pengujian tersebut akan terlihat bahwa yang berubah adalah lebar gelombang sedangkan frekuensi dan amplitudonya tetap (gambar 9) Gambar 9. Gelombang pulsa sudut penyalaan Pengujian keluaran penyearah jembatan tiga fasa terkendali tanpa beban Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui keluaran hasil penyearahan tanpa beban. Dengan sudut penyalaan disetting pada nilai tertentu dan dilihat hasil perubahan tegangan yang dihasilkan. Tabel 1 memperlihatkan data pengujian tanpa beban tegangan sumber 22 V. Tabel 1. Pengukuran Tanpa Beban α V DC (Volt) I DC (A) Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

10 , , , ,5 0 Pengujian penyearah jebatan tiga fasa terkendali dengan beban Tabel 2 menunjukkan hasil pengukuran dari keluaran konverter berbeban Dalam pengujian ini beban yang digunakan adalah lampu pijar dengan daya sebesar 100 W dengan tegangan sumber 22 V. Disini dapat dilihat bagaimana pengaruh perubahan sudut penyalaan terhadap beban. Disamping itu dapat juga melakukan pengukuran tegangan output, arus output dan daya. Tabel 2. Data Pengukuran Dengan Beban 100 Watt α V DC (Volt) I DC (A) 0 50,8 0, ,6 0, ,7 0, ,8 0, ,85 0, ,9 0,19 Bentuk gelombang keluaran pada penyearah jembatan 3 fasa terkendali menggunakan beban lampu pijar, dapat dilihat pada gambar berikut ini. Gambar 10. Bentuk gelombang output pada sudut penyalaan 0 dan 90 o 66 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010

11 PEMBAHASAN Hasil pengujian rangkaian zero crossing gambar 8 memperlihatkan bahwa rangkaian ini mampu mendeteksi saat persilangan gelombang sinusoidal dengan sumbu horizontal (titik refrensi). Dengan demikian pada tingkat selanjutnya hasil akan ditentukan oleh kemampuan mikrokontroler membangkitkan pulsa penyalaan yang sesuai dengan setingan yang diberikan melalui potensiometer. Potensiometer ini memberikan masukan tegangan analog ke mikrokontroler melalui input ADC yang ada pada ATMEGA 8 (pin 28 adc5). Selanjutnya pengujian keluaran mikrokontroler berupa pulsa trigger persegi (gambar 9) memberikan hasil yang belum optimal karena waktu on dan off mempunyai lebar yang sama, sebaiknya waktu on dibuat sependek mungkin untuk mengurangi kerugian ndaya. Namun hasil yang diberikan ini sudah cukup untuk menghasilkan waktu penyalaan ke thyristor. Untuk hasil keluaran konverter baik tanpa beban (tabel 1) maupun berbeban (tabel 2) menunjukkan bahwa variasi sudut penyalaan yang diatur melalui optensiometer telah dapat memberikan variasi tegangan keluaran konverter. Dari gambaran ini secara keseluruhan rancangan yang dibuat ini telah memberikan hasil yang baik karena mampu bekerja sesuai dengan fungsi dan derajat yang diharapkan. Sebagai contoh, berdasarkan pengujian saat tanpa beban pada tegangan masukan sebasar 22V 3 phasa mengasilkan keluaran 40 Vdc pada sudut penyalaan 0. Tabel 3. membandingkan hasil pengukuran dengan perhitungan. Tabel 3. Perbandingan Hasil Pengukuran Perhitungan Tanpa beban Sudut α Pengukuran Perhitungan Kesalahan ,45 2,9% ,57 0,96% 60 26,4 25,73 2,5% 90 7,1 6,89 2,96% ,15 6,89 3,6% ,5 25,73 2,9% SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Dari pengujian yang dilakukan terhadap alat yang dihaasilkan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Rangkaian zero crossing menggunakan rangkaian yang dirancang mampu mendeteksi titik nol dengan tepat. 2. Mikrokontroler mampu memberikan sudut penyalaan yang tepat untuk menyalakan thyristor. 3. Dari data yang diperoleh maupun perhitungan yang dibuat memperlihatkan korelasi baik antara hasil pengukuran dan perhitungan. Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni

12 Saran 1. Untuk kesempurnaan karakteristik alat sebaiknya dilakukan penyalaan dengan waktu yang pendek. 2. Dapat ditambahkan rangkaian filter untuk memperbaiki tegangan keluaran. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Septa Ramal yang telah membantu penulis dalam pengambilan data di Laboratorium Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang. Dan juga kepada Kepala Laboratorium Teknik Listrik Politeknik Negeri Padang yang telah mengijinkan penulis untuk menggunakan peralatan labor untuk pengujian rangkaian. Atas kerjasamanya penulis mengucapkan terima kasih. DAFTAR PUSTAKA Rashid, H. Muhammad, Elektronika Daya, diterjemahkan oleh Ary Prihatmanto Ms, dkk: 1996, Ardi Winoto, Mikrokontroler AVR Atmega8/32/16/8535 DAN Pemrogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR, Penerbit Informatika, Bandung, 2008 Sumartono, Kendali intensitas cahaya lampu berbasis mikrokontroler, c, 20 Mei WIB Rod Elliott, Zero crossing detector and coparator, http: //sound.westhost.com/ appnotes/ an005.htm, 20 Mei :10 68 Elektron: Vol 2 No. 1, Edisi Juni 2010