BAB IV ANALISIS RANGKAIAN ELEKTRONIK 4.1 Rangkaian Pengontrol Bagian pengontrol sistem kontrol daya listrik, menggunakan mikrokontroler PIC18F4520 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 30. Dengan osilator yang digunakan adalah high speed kristal/ Resonator (HS) berfrekuensi 20 MHz. Pada rangkaian pengontrol ini terdapat dua buah push button yang berfungsi untuk menstart/menstop aksi hasil pemograman dengan mengaktifkan pin interrupt di pin RB0 (start/stop) dan untuk mereset program (MCLR). Gambar 30. Rangkaian mikrokontroler PIC18F4520 (pengontrol) Sedangkan konfigurasi penggunaan pin-pin mikrokontroler untuk implementasi sistem kontrol daya listrik dapat dilihat pada Tabel 5. Di antara pinpin tersebut terdapat pin yang berhubungan langsung dengan modul internal Tugas Akhir 10203067 36
mikrokontroler. Oleh karena itu dalam perancangan, pin-pin tersebut digunakan untuk pemakaian yang berkaiatan dengan operasi modul internal yang bersangkutan. Tabel 5. Konfigurasi pin-pin mikrokontroler PORT Pin I/O Rangkaian terhubung A A0 I Rangkaian sistem sensor B B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7 I Rangkaian Keypad C C1,C2,C3,C4,C5 O Rangkaian Aktuator C6,C7 O,I Rangkaian komunikasi serial D D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, Rangkaian tampilan LCD O D7 (data) E E0, E1, dan E2 O Rangkaian tampilan LCD (kontrol) Port A selain sebagai I/O digital merupakan saluran input analog untuk modul A/D converter internal PIC18F4520. Karenanya pin RA0 dipilih sebagai input sinyal analog dari sensor arus setelah melalui rangkaian pengkondisi sinyal. Pin RB1 hingga RB7 dipilih sebagai pin-pin yang terhubung ke rangkaian keypad yang berfungsi untuk mendeteksi dan membaca sinyal input pada keypad yang selanjutnya dikirimkan ke mikrokontroler. Pin RC1 hingga RC5 adalah pin keluaran/output yang terhubung dengan rangkaian aktuator. Pin-pin tersebut memberikan input pada driver triac untuk mengaktif/mengnon-aktifkan triac. Sedangkan pin RC6 dan RC7 yang terhubung langsung dengan modul USART digunakan untuk komunikasi serial melalui dekoder RS-232. Untuk menampilkan huruf/angka pada tampilan LCD digunakan port D sebagai jalur data dan port E sebagai jalur kontrol. Tugas Akhir 10203067 37
4.1.1 ADC (A/D converter) ADC internal PIC18F4520 memiliki resolusi 10 bit. Untuk menyederhanakan proses komputasi dalam mikrokontroler, hanya 8 bit MSB dari 10 bit hasil konversi ADC yang diambil untuk merepresentasikan sinyal yang masuk. Meskipun resolusi yang diperoleh lebih kecil dari resolusi maksimal ADC, namun resolusi yang diperoleh masih setara dengan resolusi tegangan keluaran dari sensor sehingga hasil tersebut masih dapat diterima. Data hasil konversi diset untuk berformat rapat kiri (left justified) sehingga 8 bit MSB terletak pada register ADRESH [3]. 4.2 Rangkaian Sistem Sensor Sensor merupakan suatu devais yang dapat merepresentasikan sebuah besaran fisis kedalam besaran elektronik. Umumnya rangkaian sensor masih belum dapat digunakan langsung untuk aplikas-aplikasi tertentu. Karenanya diperlukan rangkaian tambahan yang disebut rangkaian pengkondisian sinyal. Rangkaian sensor yang ditambahkan dengan rangkaian pengkondisian sinyal sehingga output rangkaian tersebut dapat digunakan langsung pada aplikasi yang diinginkan disebut dengan rangkaian sistem sensor. 4.2.1 Rangkaian sensor Pada sistem kontrol daya listrik yang dirancang, digunakan sensor arus dengan jenis current transducer. Sensor jenis ini menggunakan prinsip efek Hall dalam mengukur arus. Desain dari rangkaian sensor tersebut ditunjukkan oleh Gambar 31. Tugas Akhir 10203067 38
Gambar 31. Rangkaian sensor Cara kerja dari sensor ini adalah dengan mengalirkan arus, yang akan diukur besarnya, melalui kawat yang meliliti inti besi. Sesuai dengan pernyataan H. C. Oersted pada tahun 1820 bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet [7]. Maka pada inti besi akan timbul medan magnet (induksi magnet) yang selanjutnya medan magnet tersebut akan menembus sensor efek Hall, UGN3503 yang berada ditengah-tengah gap pada inti besi, secara tegak lurus terhadap arus yang timbul dari suplay tegangan pada sensor tersebut. Berdasarkan gaya Lorentz, kawat berarus yang memotong garis-garis gaya medan magnet akan mendapat gaya magnetik [7]. Gaya magnetik yang terjadi pada elemen sensor tersebut menyebabkan elektron-elektron bergerak menuju tepi dan proton menuju tepi yang berlawanan sehingga menimbulkan beda tegangan pada elemen sensor (tegangan Hall) yang merupakan tegangan output dari sensor efek Hall. Tegangan output tersebut mampu merespon arus baik arus AC maupun arus DC. Pada keadaan B=0, dimana kawat tidak dialiri arus listrik, sensor efek Hall memiliki tegangan output antara 2.25-2.75V (umumnya 2.5V). Selain itu respon output dari sensor ini pun cukup linier, dimana dari hasil percobaan daya sebesar 15 watt direpresentasikan kedalam tegangan 12mV dan daya 30 watt direpresentasikan ke Tugas Akhir 10203067 39
dalam tegangan 24mV. Hubungan antara besarnya medan magnet, jumlah lilitan dengan besarnya arus direpresentasikan oleh Persamaan 9. B ~ 6.9nI (9) 4.2.2 Rangkaian pengkondisian sinyal Pada pengukuran arus kurang dari 1.3 ampere, tegangan output yang dihasilkan sangat kecil (dalam mv). Selain itu tegangan output yang terbaca oleh sensor merupakan tegangan AC yang masih memiliki nilai tegangan DC (2.25V- 2.75V). Agar sesuai dengan daerah masukan ADC yang menggunakan tegangan referensi sebesar 5 volt, maka sinyal AC dari sensor perlu diperkuat dengan ditambahkan rangkaian penguat instrumentasi [8]. Namun karena pada tegangan output masih terdapat tegangan DC maka sebelum sinyal dikuatkan, tegangan DC harus di hilangkan terlebih dahulu dengan menambahkan resistor variabel yang disetting sehingga memiliki tegangan ~ 2.5V pada salah satu input rangkaian penguat instrumentasi. Setelah dikuatkan maka selanjutnya adalah mengkonversi arus AC menjadi arus DC dengan rangkaian AC to DC converter [8, 9]. Gabungan rangkaian tersebut merupakan rangkaian pengkondisi sinyal (Gambar 32). Rangkaian-rangkaian yang digunakan merupakan rangkaian yang berbasis op-amp (operational amplifier) dengan tipe op-amp yang dipakai adalah TL082. Agar output tegangan analog dari rangkaian pengkondisian sinyal tidak melebihi tegangan referensi (5 volt) ADC pada mikrokontroler maka perlu ditambahkan rangkaian pengkondisian sinyal tambahan yang mampu mempresisikan input tegangan maksimum yang masuk ke mikrokontroler. Tugas Akhir 10203067 40
Rangkaian pengkondisian sinyal tambahan tersebut terdiri dari sebuah resistor dan dua buah diode yang dirangkaikan seperti pada Gambar 33. Gambar 32. Rangkaian pengkondisian sinyal Gambar 33. Rangkaian pengkondisian sinyal tambahan Tugas Akhir 10203067 41
4.3 Rangkaian Driver + Aktuator Sinyal yang dihasilkan oleh mikrokontroler tidak dapat langsung diumpankan ke aktuator (triac) karena input digital mikrokontroler tidak dapat memicu gate pada triac. Karenanya diperlukan driver yang mampu menghubung mikrokontroler dengan triac. Driver triac yang digunakan dalam perancangan sistem kontrol daya listrik ini adalah MOC3020. MOC3020 merupakan driver triac yang bersifat optoisolator, elemen-elemen penyusunnya memiliki fungsi seperti triac. MOC3020 didesain khusus untuk menghubungkan kontrol elektronik dengan power triac untu mengontrol beban resistif dan beban induktif yang beroperasi pada teganagan AC 115-240V. Rangkaian aktuator beserta drivernya, MOC3020, ditunjukkan pada Gambar 34. Gambar 34. Rangkaian driver + aktuator 4.4 Rangkaian Peraga LCD Peraga LCD yang digunakan adalah tipe matrik yang dapat menampilkan 16 karakter sebanyak dua baris. Peraga ini digunakan untuk menampilkan perintah, input set point dan output dari ADC. Selain itu peraga ini juga dapat digunakan untuk mengakses menu dalam mengkonfigurasi sistem. Peraga LCD terhubung ke mikrokontroler melalui jalur data yang lebarnya 8 bit (delapan buah Tugas Akhir 10203067 42
pin) serta tiga buah pin untuk kontrol. Untuk jalur data menggunakan seluruh pin port D pada mikrokontroler, sedangkan untuk jalur kontrol menggunakan port E pada mikrokontroler. Selain itu peraga LCD memiliki beberapa pin lainnya tidak terhubung pada mikrokontroler diantaranya pin +0 terhubung pada ground, pin +5 terhubung pada tegangan +5 volt (V CC ), dan pin Cn terhubung pada potensiometer. Pin Cn merupakan pin yang berfungsi untuk mengatur kekontrasan tampilan pada peraga LCD. Kekontrasan tampilan pada peraga LCD tersebut dapat diatur dengan menggunakan potensiometer yang terhubung pada pin Cn. Rangkaian untuk peraga LCD diberikan pada Gambar 35. Gambar 35. Rangkaian peraga LCD 4.5 Rangkaian Keypad Pada sistem kontrol daya listrik, keypad memiliki fungsi sebagai pemberi input (set point). Jenis keypad yang digunakan adalah keypad dengan tipe matriks 3x4 (12 tombol). Keypad ini memiliki tujuh buah pin pengontrol, 4 buah untuk Tugas Akhir 10203067 43
baris dan 3 buah untuk kolom. Ke tujuh pin tersebut dihubungkan pada port B mikrokontroler dan diberi pull-up melalui resistor ke +5V. Cara kerja devais keypad ini adalah mengecek tombol yang ditekan dan menerjemahkannya ke dalam angka, dimana pin-pin kolom keypad diberi logika 0 (low) secara bergantian. Saat pin kolom diberi logika 0, setiap pin baris pada kolom tersebut diperiksa. Apabila terdapat nilai logika 0 pada salah satu barisnya maka angka yang di tekan tersebut akan dikirimkan ke mikrokontroler dan nilainya ditampilkan pada perga LCD. Rangkaian keypad ditunjukkan pada Gambar 36. Gambar 36. Rangkaian keypad 4.6 Rangkaian Komunikasi Serial Sistem komunikasi yang disediakan dalam sistem kontrol daya listrik ini adalah antarmuka serial melalui port COM pada komputer. Sistem antarmuka ini dipilih karena sudah lazim digunakan serta ketersediaan modul EUSART dalam Tugas Akhir 10203067 44
PIC18F4520 yang memudahkan implementasinya. Keberadaan sistem antarmuka serial ini akan sangat berguna untuk pengawasan keberjalanan sistem yang dikontrol. Dalam implementasinya sistem antarmuka serial ini menggunakan konverter RS-232 yang menjembatani perbedaan level tegangan antara mikrokontroler dengan port COM pada komputer. Rangkaian untuk komunikasi serial dengan komputer diberikan pada Gambar 37. Gambar 37. Rangkaian komunikasi serial 4.7 Rangkaian Catu Daya Rangkaian sistem banyak menggunakan IC yang membutuhkan supplay tegangan (V CC ), karenanya diperlukan rangkaian catu daya. Rangkaian catu daya yang didesaian adalah rangkaian dengan tegangan keluaran sebesar +5 Volt dan -5 Volt. Rangkaian catu daya terdiri dari komponen bridge yang berfungsi sebagai penyearah tegangan AC dari PLN, LM7805 yang berfungsi sebagai regulator tegangan dengan tegangan output sebesar +5 Volt, LM7905 (tegangan output -5 Volt), TIP3055, TIP2955, dioda, dan beberapa kapasitor. Rangkaian catu daya ditunjukkan pada Gambar 38. Tugas Akhir 10203067 45
Gambar 38. Rangkaian catu daya 4.8 Rangkaian ICSP Rangkaian ICSP (In-Circuit Serial Programming) merupakan rangkaian programer yang berfungsi untuk mendownload program ke mikrokontroler. Rangkaian ICSP dilengkapi dengan port serial untuk menghubungkan mikrokontroler dengan komputer. Salah satu jenis software yang dapat membantu mendownloadkan program dalam file heksadesimal (*.Hex) dari komputer ke mikrokontroler adalah WinPIC. Rangkaian ICSP ditunjukkan pada Gambar 39. Tugas Akhir 10203067 46
Gambar 39. Rangkaian ICSP Tugas Akhir 10203067 47