BAB III PERANCANGAN SISTEM

BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dijelaskan tentang perancangan perangkat keras dari tugas akhir yang berjudul Penelitian Sistem Audio Stereo dengan Media Transmisi Jala-jala Listrik. 3.1. Gambaran Sistem Pada Gambar 3.1 dilihatkan gambaran umum dari system yang dibuat untuk tugasakhir ini.. Gambar 3.1 Gambaran umum sistem (a). Modulator di pengirim. (b). Demodulator di penerima 3.2. Perancangan Modul Pegirim. Pada bagian ini akan dijelaskan perancangan dan perealisasian perangkat keras sebagai modul pengirim. Terdiri dari modul stereo encoder, modem PLC, catu daya, dan kopling. 3.2.1. Pengirim PLC LM565 Pada bagian pengirim, sinyal dari sumber audio dimodulasikan dengan modulasi frekuensi, kemudian dicampur dengan tegangan yang ada dalam jala-jala listrik dengan menggunakan trafo pengkopel. Pembuatan modulasi frekuensi menggunakan IC LM565 yang dapat dilihat bagannya pada Gambar 3.2 yang mana IC lm565 berfungsi sebagai voltage controlled oscillator / osilator terkendali tegangan (VCO), dikarenakan keluaran 21

frekuensi yang dihasilkan oleh IC LM565 berubah-ubah sesuaidengan tegangan / amplitudo dari sinyal masukan audio. Sinyal pembawa pada IC LM565 dapat digunakan hingga frekuensi 1M menurut percobaan yang dilakukan, akan tetapi karena mengikuti standard pengiriman dalam PLC maka digunakan frekuensi pembawa sebesar 350Khz. Dipilihnya 350Khz dikarenakan apabila kita menginginkan output stereo maka digunakan 2 buah sinyal pembawa untuk sinyal kanan dan kiri, agar tidak terjadi inteferensi satu dengan yang lain frekuensi pembawa dibuat kelipatan 100KHz. Gambar 3.2 IC LM565 [17] Seperti yang terlihat di Gambar 3.3 sistem pemodulasian FM menggunakan IC LM565 ini menggunakan komponen-komponen pendukung agara dapat bekerja dengan nilai frekuensi pembawa yang kita inginkan, dalam tugas akhir ini digunakan frekuensi pembawa sebesar 350KHz. Besaran nilai frekuensi pembawa yang digunakan dapat dihitung dengan rumusan sebagai berikut: 22

Gambar 3.3 Modulasi FM dengan LM565 [17] f c = 2.4(Vcc Vc) RtCtVcc (3.1) dimana: f c = nilai frekuensi pembawa R t = Timing resistance pada pin 8 C t = Timing resistance pada pin 9 Vcc = catu daya yang digunakan Vc = nilai voltase yang dikontrol di pin7 Ditentukan nilai f c adalah 350KHz, maka dengan menggunakan rumus (3.1) didapat nilai Vc sebesar: 23

350.10 3 = 2.4(12 Vc) 2,210 3 110 9 12 (3.2) 350.10 3 = 28,8 2,4V c 2,64.10 5 2,4V C = 19,56 V C = 8,15V Rangkaian modulator dari LM565 pada Gambar 3,3 belum dapat dikirim ke dalam jala-jala listrik karena masih belum terdapat komponen pendukung seperti rangkaian kopling. Gambar 3.4 menunjukkan skematik dari pengirim LM565 setelah ditambanh rangkaian kopling. Gambar 3.4 Skematik pengirim LM565 [5] 24

Gambar 3.5. Realisasi pengirim LM565 Inti dari modulator FM pada Gambar 3.4 adalah IC LM565 merupakan komponen utama dari osilator tegangan terkendali (VCO). Sinyal audio yang berasal dari sumber audio mempunyai nilai puncak dari nilai tegangan level DC. Potensio R4 digunakan untuk menentukan nilai dc level dari VCO yang ada dalam IC LM565. Sinyal pemodulasi ini akan membuat sinyal pembawa berubah-ubah frekuensinya sesuai dengan besarnya tegangan sinyal pemodulasi yang masuk. Sebelum di transmisikan ke jala-jala listrik dengan menggunakan trafo IF, sinyal termodulasi dikuatkan dahulu dengan menggunakan sebuah transistor 2N2222. Kapasitor C6 dan C7 digunakan untuk mengisolasi trafo IF dari tegangan sinus 50Hz. Gambar 3.5 adalah bentuk dari realisasi dari Gambar 3.4. 3.2.2. Pengirim PLC LM1893 a. Modul pengirim PLC (LM1893), trafo IF, dan kopling Modulator PLC merupakan alat yang sangat penting dalam tugas akhir ini karena informasi yang akan dikirim harus di modulasikan dahulu sebelum ditumpangkan ke dalam instalasi Jala-jala listrik PLN (Perusahaan Listrik Negara). Modem PLC ini dirancang dengan menggunakan IC LM1893 Carrier-Current Transciever buatan National Semiconductor. Tipe modulasi IC LM1893 sesuai dengan datasheet adalah frequency shift keying (FSK) pada jalur data apabila 25

digunakan untuk analog IC LM1893 menggunakan modulasi berbasis frequency modulation (FM). Pengirim ini juga dapat digunakan sebagai pengirim maupun penerima. Agar dapat bekerja, IC LM1893 membutuhkan komponen yang dapat dilihat di datasheet. Terdapat hambatan dalam pemilihan komponen yaitu tipe trafo T 1 yang disarankan pada datasheet adalah Toko 707VX-A042YUK dengan nilai lilitan primer sebesar 49,0 µh dan 0,98 µh untuk lilitan sekunder, namun di pasaran terdapat trafo yang mendekati dengan spesifikasinya yaitu Toko 707VX-A042YUK yaitu trafo IF/MF dengan nilai lilitan primer 60µH dan sekundernya 3µH. Dengan pergantian nilai tersebut maka akan merubah nilai C Q. Berdasar pada rumus yang ada dalam datasheet maka nilai C Q adalah : C Q = 1 (2.π.fo) 2.L1 (3.3) Dengan, fo = frekuensi sinyal pembawa sebesar 125 khz. L1 = nilai lilitan primer trafo T 1 sebesar 60 µh. Maka dengan menggunakan rumus (3.3) didapatkan nilai C Q sebagai berikut: C Q = 1 (2. π. 125 10 3 ) 2. (60 10 6 ) F C Q = 27 nf 26

Berikut adalah nilai komponen yang digunakan: Tabel 3.1. Daftar nilai komponen tambahan pengirim LM1893 [5]. Nama Komponen Nilai C O R O C A 0,1 µf R A 560 pf pot 2 kω + 5,6 kω 10 kω T 1 primer = 60 µh, sekunder = 3 µh C Q C C1 & C C2 Z T R T D T 27 nf 0,23 µf / 250 V zener 47 V 4,7 Ω 1N5822 C L 0,047 µf C F 0,047 µf R F 3,3 Ω C M 0,47 µf C I 0,047 µf R C Z A 10 kω zener 5,1 V Gambar 3.6 menunjukkan skema perancangan modul PLC pada bagian pengirim yang digunakan dalam tugas akhir ini. Perancangan modem PLC dibuat berdasarkan skema rangkaian yang terdapat pada datasheet IC LM1893 [5, h.1]. 27

Gambar 3.6. Skematik pengirim LM1893 [5] Pada perancangan modul pengirim terdapat 3 antarmuka yang digunakan untuk mengatur kerja IC LM1893. Ketiga antarmuka tersebut adalah TX (pin 17), RX (pin 12), dan selector (pin 5). Ketiga antarmuka tersebut digunakan apabila terdapat modul Mikrokontroler, namun pada tugas akhir ini yang digunakan hanya TX (pin 17) dan selector (pin 5). Fungsi selector (pin 5) adalah untuk menentukan sistem kerja modem PLC akan sebagai pengirim atau sebagai penerima. Ketika modul PLC (LM1893) dikondisikan sebagai pengirim maka pada selector (pin 5) diberikan inputan bernilai HIGH (5V). karena tidak menggunakan mikrokontroler maka perlu diset juga TX (pin 17). TX (pin 17) mempunyai kegunaan dalam menentukan sinyal pembawa. Pada datasheet tertera bahwa frekuensi penggal berada di 125Khz, namun pada perealisasiannya masih ditentukan oleh TX (pin 17). Apabila TX (pin 17) bernilai HIGH maka frekuensi pembawa yang digunakan pada modul modem PLC pengirim adalah ± 127,7Khz dan saat TX (pin 17) bernilai LOW maka frekuensi pembawanya bernilai ±122.25Khz dengan besarnya amplitudo ±12V. 28

Gambar 3.7 Realisasi pengirim LM1893 Pada bagian ini juga terdapat trafo IF dengan jenis Toko 707VX-A042YUK. Trafo ini digunakan sebagai match impedance antara rangkaian modem PLC dengan jala-jala listrik PLN. Selain itu trafo tersebut digunakan bersama dengan kapasitor 0,23 µf / 250 V yang akan membentuk rangkaian kopling yang digunakan untuk mengisolasi rangkaian modem PLC dari jala-jala listrik dikarenakan apabila voltage dari jala-jala listrik masuk ke dalam rangkaian modem akan merusak komponen yang ada di modem PLC. b. Rangkaian tambahan modem LM1893 untuk input-an suara Pada dasarnya IC LM1893 biasa digunakan dalam pengiriman data, namun tidak berarti informasi yang berupa analog tidak dapat dikirim dengan menggunakan IC LM1893. Untuk dapat mengirimkan informasi berupa analog maka pada input IC LM1893 perlu ditambahkan kapasitor 10nF yang diseri dengan resistor 390KΩ yang kemudian di letakkan di pin 18 pada IC LM1893. 29

Gambar 3.8 menunjukkan part tambahan yang digunakan dalam IC LM1893 Gambar 3.8. Skema masukan audio ke pin 18 LM1893 [5] Pada saat perealisasian rangkaian diatas ternyata tetap harus diparalelkan dengan Ro dan Co karena dua komponen tersebut digunakan untuk mengkalibrasi sinyal pembawa. 3.3. Perancangan Modul Penerima Pada bagian ini aka dijelaskan tentag perancangan perangkat keras dalam modul penerima. Dibutuhkan 2 buah penerima yang berbeda dikarenakan dalam modul pengirim mempunyai 2 buah IC dengan pemodelan yang berbeda. 3.3.1. Penerima FM LM565 Pada bagian penerima, sinyal termodulasi dipisahkan dari jala-jala listrik dengan menggunakan trafo IF, dikuatkan dan didemodulasi supaya didapat kembali sinyal informasi yang dikirim. Gambar 3.10 memperlihatkan bahwa sinyal masukan dari jala-jala listrik pertama kali akan masuk melalui trafo IF. Keluaran sinyal informasi dari trafo if masih terlalu lemah sehingga perlu dibuat rangkaian penguat. Rangkaian penguat yang digunakan berupa penguat diferensial dengan dua tingkat, rangkaian ini dibentuk dari penggunaan IC LM3046 yang didalamnya adalah 5 buah transistor NPN. Gambar 3.9 adalah rangkaian penguat diferensial yang digunakan dalam tugas akhir ini. Pada peguat diferensial ini mempunya 2 buah masukan yaitu diambil dari keluaran trafo IF. Penggunaan transistor pada penguat diferensial ini berjumlah 4 buah dan identik. 30

Gambar 3.9. Penguat diferensial dua tingkat. (a) 31

(b) Gambar 3.10. (a) Skematik penerima FM LM565 [14], (b) Realisasi penerima FM LM565. Setelah dikuatkan oleh penguat diferensial maka sinyal termodulasi masuk ke dalam rangkaian demodulator, yang dalam tugas akhir ini menggunakan IC LM565. IC LM565 berfungsi untuk mengubah sinyal masukan dari penguat diferensial yang masih berbentuk frekuensi termodulasi menjadi bentuk sinyal audio seperti yang dikirim. Prinsip kerja dari demodulator ini adalah menggunakan sistem PLL. Demodulasi FM dari IC LM565 yang menggunakan prinsip PLL bertujuan untuk membuat sebuah osilator frekuensi yang terkunci pada suatu frekuensi dan sudut fase frekuensi yang nantinya akan digunakan untuk menjadi acuan. Saat kita mendesain frekuensi tengah PLL pada frekuensi pembawa FM maka tegangan yang keluar merupakan tegangan demodulasi yang diinginkan, tegangan yang dihasilkan akan berubah-ubah sesuai dengan variasi frekuensi yang masuk ke dalam PLL. Berdasarkan Gambar 3.10 perancangan frekuensi tengah (f o ) VCO pada IC LM565 dilakukan dengan rumus sebagai berikut: f o = 0,3 R 16 C 13 (3.4) 32

Pada Gambar 3.10 nilai C 14 adalah sebesar 330pF. Frekuensi tengah yang digunakan diatur sama seperti sinyal pembawa yaitu di 350KHz, maka dengan menggunakan persamaan (3.4) akan diperoleh nilai hambatan yang diperlukan sebagai berikut: 0,3 R 16 = 350. 10 3. 330. 10 12 R 16 = 2,597 kω Jarak penguncian PLL dapat dihitung dengan rumusan sebagai berikut: f L = 8f L V (3.5) Rangkaian demodulator IC LM566 menggunakan catu daya sebesar 12V dan frekuensi tengahnya adalah 350KHz, dengan menaggunakan persamaan (3.5) maka jarak pegunciannya adalah: 8.350. 103 f L = ± 16 f L = ± 175 khz Sinyal informasi yang keluar dari PLL berupa sinyal informasi yang dikirim namun masih mengandung sinyal frekuensi tinggi. Diperlukan sebuah rangkaian filter untuk mendapatkan sinyal informasi yang dikirim. Dalam tugas akhir ini filter yang digunakan adalah tapis lolos bawah dengan konfigurasi Sallen-Key. Gambar 3.11 adalah rangkaian tapis lolos bawah yang digunakan. 33

Gambar 3.11 Rangkaian tapis lolos bawah Sallen-Key. Tapis lolos bawah yang digunakan dirancang menggunakan IC TL082 yang didalamnya terdapat 2 buah penguat operasional. Tapis lolos bawah menggunakan metode Sallen-Key dengan perhitugan sebagai berikut: f o = 1 2π mnrc (3.6) Q o = mn m+1 (3.7) Pada tugas akhir ini f o yang digunakan adalah sebesar 15kHz dngan asumsi bahwa dapat mencangkup frekuensi dengan rentang 20Hz-20kHz, nilai Q=1 dan nilai kapastor yang digunakan adalah sebesar 330pF. Missal untuk nilai m=1 maka dengan menggunakan persamaan (3.6) dan (3.7) didapatkan nilai hambatan sebagai berikut: Q o = mn m + 1 1 = 1n 1 + 1 1 = n 2 n = 4 34

1 f o = 2π mnrc 15. 10 3 1 = 2π 1.4. R. 330. 10 12 1 R = 2.3,14 4.330. 10 12. 15. 10 3 R = 16kΩ berdasarkan pada perhitungan di atas nilai untuk nc = 1,32nF. Keluaran dari tapis lolos bawah tidak dapat langsung diolah untuk dikeluarkan ke speaker, oleh karena itu perlu dibuat sebuah penguat audio. Penguat audio yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah IC LM380. IC LM380 merupakan penguat audio dengan power 2,5watt. Penentuan nilai yang digunakan mengacu pada Gambar 3.10 yang disediakan pada literatur Texas Instrument. 3.3.2. Penerima PLC LM1893 IC LM1893 sebenarnya digunakan untuk pengiriman data namun seperti yang tertulis pada datasheet bahwasannya IC LM1893 dapat digunakan pula pada pengiriman analog dengan menambahkan rangkaian pendukung. 35

Gambar 3.12. Skematik penerima LM1893 [5] Agar IC LM1893 dapat digunakan sebagai receiver maka pada pin5 (selector) diberi nilai LOW. Rangkaian pendukung agar IC LM1893 dapat digunakan dalam pengiriman data analog maka diperlukan rangkaian Carrier Detector. Gambar 3.13. Skematik modul Carrier Detector [5] 36

Rangkaian carrier detector gambar 3.13 digunakan untuk mengetahui apakah ada sinyal carrier yang masuk dan mengambil frekuensi yang dikirimkan. Rankaian ini terdiri dari 3 IC yaitu LM567, LM339, dan LM380. Kegunaannya yaitu: LM567 LM567 sering juga disebut sebagai Tone Decoder, IC ini digunakan sebagai pendeteksi sinyal masukan. Seperti yang tertera dalam datasheet LM567 mempunyai karakteristik sebagai Band-pass Filter. Gambar 3.14. Rangkaian Carrier Detector LM567 [11] Rangkaian IC LM567 ini dirancang supaya bisa mendeteksi bila ada sinyal masukan pada band-pass dengan f o =125 khz. Perhitungan nilai komponennya didapat dengan menggunakan rumus berikut: f o = 1 1,1 R 1 C 1 (3.8) f o yang akan digunakan adalah 125 khz, kemudian ditentukan C 1 sebesar 5 nf. Tinggal mencari nilai R 1 dengan persamaan (3.8) diatas, sehingga: 1 R 1 = 1,1 f o C 1 37

1 R 1 = 1,1 125. 10 3 5 10 9 R 1 = 1454,5 Ω Didapat nilai R 1 yang diperlukan sebesar 1,45 kω, dalam perancangan digunakan trimpod 2,2 kω. C 2 digunakan untuk menentukan bandwith dari phase detector dan digunakan C 2 sebesar 18 µf, sedang nilai C 3 biasanya 2x nilai C 2 jadi digunakan nilai C 3 sebesar 47 µf. Dengan rangkaian pada Gambar 3.14 carrier detector akan memberikan output ground bila ada sinyal masukan pada tentang band-pass, sebaliknya dengan pull-up resistor maka carrier detector akan memberikan output 5 V ketika tidak ada sinyal masukan dengan frekuensi pada rentang band-pass. LM339 dan LM380 Gambar 3.15. Rangkaian filter dan power amplifier [5] 38

Gambar 3.16. Realisasi rangkaian filter dan power amplifier Gambar 3.17. Realisasi rangkaian penerima LM1893 39

Filter dan audio amplifier eksternal diperlukan karena jalur penerima data setelah melewati PLL modem LM1893 hanya meneruskan data digital. Rangkaian untuk filter dan audio amplifier eksternal ini ada pada datasheet LM18934 Variabel resistor 1M yang ada pada rangkaian adalah untuk mengatur volume keluaran speaker. Terlihat juga pada Gambar 3.15 ada dua komparator LM399 yang terhubung ke masukan LM380. Kegunaan dari komparator pada rangkaian adalah sebagai fungsi mute jika tidak ada sinyal yang memiliki rentang frekuensi dalam rentang band-pass di pin 10 LM1893. Karena keluaran carrier detector adalah inverting maka ketika ada terdeteksi sinyal pembawa akan memberikan masukan ground pada kaki (-) komparator, tegangan kaki (+) lebih besar dari (-), hal ini akan menyebabkan output komparator dalam kondisi ambang dan sinyal masukan LM380 dapat diteruskan. Sebaliknya bila tidak ada masukan maka kaki komparator (-) akan mendapat 5 V, kaki (-) lebih besar dari (+), hal ini membuat keluaran komparator terhubung ke ground sehingga input LM380 terhubung ke ground dan mencipatakan kondisi mute. Masukan komparator adalah output dari carrier detector yang dibandingkan dengan tegangan sebesar ±1,6 V Tapis pada gambar 3.15 adalah berupa tapis lolos bawah 2 tingkat yang digunakan untuk memisahkan sinyal pembawa dengan informasi. 40