BAB III PERANCANGAN SISTEM 3.1. Perangkat Keras Sistem Perangkat Keras Sistem terdiri dari 5 modul, yaitu Modul Sumber, Modul Mikrokontroler, Modul Pemanas, Modul Sensor Suhu, dan Modul Pilihan Menu. 3.1.1. Modul Sumber Pada modul ini digunakan sebuah transformator untuk menurunkan tegangan dan rangkaian jembatan dioda untuk mengubah tegangan AC menjadi DC yang nantinya akan digunakan untuk memberikan tegangan sebesar 5 volt ke modul mikrokontroler, modul sensor suhu, modul LCD, dan modul pilihan menu. Diperlukan juga tegangan sebesar 15 volt untuk TLP250 yang akan digunakan sebagai driver IGBT. Tegangan diturunkan dari 220 volt AC menjadi 15 volt DC dan 5 volt DC. Komponen yang digunakan adalah LM 7815 dan LM 7805. Gambar 3.1. Modul Sumber 3.1.2. Modul Mikrokontroler Modul ini menggunakan IC Atmega 8535 yang akan digunakan sebagai modul kontrol dan pembangkit PWM. Modul kontrol akan menerima data dari sensor suhu dan tombol pilihan menu, kemudian mengirimkan data untuk ditampilkan di LCD. Modul mikrokontroler ini juga merupakan pembangkit PWM yang akan digunakan untuk driver IGBT. Pin PD5 sebagai keluaran PWM terhubung dengan masukan dari optocoupler. 8
Gambar 3.2. Modul Mikrokontroler 3.1.3. Modul Pemanas Modul ini pada gambar 3.3 merupakan modul utama rangkaian kompor induksi. Modul ini terbagi menjadi beberapa bagian: 9
Gambar 3.3. Modul Pemanas 1. Sumber Sumber AC PLN sebesar 220 volt AC akan dilewatkan jembatan dioda sehingga akan menjadi tegangan DC. V DC = Vs x 2... (3.1) Dimana: V DC = Tegangan DC (volt) Vs = Tegangan sumber AC (volt) V DC = 220 volt x 2 = 311,127 volt DC 2. Filter Tegangan DC tersebut akan diteruskan ke rangkaian filter LPF untuk menghambat frekuensi tinggi agar tidak mengganggu sistem serta mengurangi ripple dengan menggunakan rumus: f = 1 2π (LC).. (3.2) Dimana: f = f = Frekuensi cut-off (Hz) L = Induktaksi (H) C = Kapasitansi (F) 1 2π (LC) = 1 = 2,9 khz 2π (0,3. 10 3 H x 9,9. 10 6 F) 10
3. Kumparan Kumparan yang digunakan adalah kumparan dengan jenis flat spiral coil yang dapat dilihat pada gambar 3.4. Kumparan ini akan menghasilkan medan magnet di sekitar logam penghantar. Kumparan ini memiliki induktansi sebesar 98 uh, sedangkan kapasitor yang digunakan sebesar 0.3 uf. Frekuensi resonan: f = 1 2π (LC) = 1 = 29,367 khz 2π (98. 10 6 x 0,3. 10 6 ) Pada saat terjadi resonansi maka harga impedansi rangkaian mencapai nilai minimum, saat impedansi minimum inilah arus yang mengalir mencapai maksimum. Gambar 3.4. Flat Spiral Coil 4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Pada bagian ini, digunakan IGBT dengan jenis FGL40N120AND. IGBT ini akan memutus dan mengalirkan tegangan pada kumparan dan kapasitor pada rangkaian coil. Dengan memutus dan mengalirkan tegangan, maka akan terjadi arus bolak-balik yang akan membangkitkan medan magnet. Penggunaan IGBT dikarenakan IGBT dapat dialiri tegangan tinggi dan arus yang besar, selain itu IGBT juga memiliki rugi penyaklaran yang lebih rendah dari MOSFET. 11
5. Driver IGBT Pin gate dari IGBT membutuhkan tegangan sekitar 15 volt agar dapat saturasi, sedangkan keluaran sinyal PWM dari mikrokontroler hanya sebesar 5 volt. Untuk dapat mencapai tegangan buka minimum IGBT maka diperlukan driver yang dapat menaikkan tegangan dari PWM tersebut menjadi 15 volt. Komponen yang digunakan sebagai driver IGBT adalah photocoupler TLP250. Gambar 3.5. Skematik TLP 250 Anoda dari TLP250 ini akan mendapat input berupa sinyal PWM dari Modul Mikrokontroler. Pin VCC akan diberi tegangan 15 V sehingga akan menghasilkan output PWM dengan tegangan 15 V yang akan dihubungkan ke kaki Gate IGBT. 3.1.4. Modul Sensor Suhu Sensor yang digunakan untuk Modul Sensor Suhu ini adalah Thermocouple type-k. Pemilihan thermocouple sebagai sensor suhu disini karena thermocouple mempunyai jangkauan suhu dari -20 0 C sampai 1023 0 C. Thermocouple ini memiliki keluaran berupa tegangan yang sangat kecil dengan satuan milivolt. Bentuk dari thermocouple yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.6. 12
Gambar 3.6. Thermocouple type-k Keluaran thermocouple ini akan terhubung dengan IC MAX6675. Output MAX6675 dibentuk dari kompensasi cold-junction yang didigitalisasi dari sinyal thermocouple. Data keluarannya memiliki resolusi 12-bit dan mendukung komunikasi SPI mikrokontroler secara umum. Data dapat dibaca dengan mengkonversi hasil pembacaan 12-bit data. Gambar 3.7. Rangkaian MAX6675 13
Fungsi dari thermocouple adalah untuk mengetahui perbedaan temperature di bagian ujung dari dua bagian metal yang berbeda dan disatukan. Thermocouple tipe hot junction dapat mengukur mulai dari 0 o C sampai +1023,75 o C. MAX6675 memiliki bagian ujung cold end yang hanya dapat mengukur -20 o C sampai +85 o C. Pada saat bagian cold end MAX6675 mengalami fluktuasi suhu maka MAX6675 akan tetap dapat mengukur secara akurat perbedaan temperature pada bagian yang lain. MAX6675 dapat melakukan koreksi atas perubahan pada temperature ambient dengan kompensasi cold-junction. Device mengkonversi temperature ambient yang terjadi ke bentuk tegangan menggunakan sensor temperature diode. Untuk dapat melakukan pengukuran aktual, MAX6675 mengukur tegangan dari keluaran thermocouple dan tegangan dari sensing diode. Gambar 3.8. Skematik rangkaian Thermocouple, MAX6675, dan koneksi ke Mikrokontroler Untuk mendapatkan nilai suhu pada thermocouple tipe-k, perubahan tegangan sebesar 41μV/ o C dengan menggunakan pendekatan karakteristik dapat menggunakan rumus dibawah ini: V OUT = (41μV / o C) 5 (T R T AMB ).... (3.3) Dengan: V OUT = Voutput thermocouple (μv) T R = Termperature remote junction ( o C) T AMB = Temperature ambient ( o C) 14
Hasil dari Modul Sensor Suhu ini akan ditampilkan ke LCD setelah diolah melalui Modul Mikrokontroler. 3.1.5. Modul Pilihan Menu Modul ini terdapat 3 pilihan menu memasak, yaitu SLOW, RMAL, dan FAST. Tombol pilihan menu akan menggunakan 3 switch push button. Perbedaan menu memasak dibuat berdasarkan perbedaan frekuensi PWM yang dihasilkan mikrokontroler untuk memutus-hubungkan Modul Pemanas melalui IGBT. Gambar 3.9. Switch Push Button Untuk menu SLOW, frekuensi PWM yang dihasilkan mikrokontroler sebesar 15 khz. Sedangkan untuk menu RMAL, mikrokontroler menghasilkan frekuensi PWM sebesar 17.5 khz. Pada menu FAST menggunakan frekuensi sebesar 20 khz. 15
3.2. Perangkat Lunak Sistem Perangkat lunak sistem akan dijalankan oleh mikrokontroler yang akan mengatur sistem kompor induksi secara keseluruhan. 3.2.1. PWM Pulsa PWM dapat dihasilkan dari pin OCR pada mikrokontroler. Perlu pengaturan register timer pada mikrokontroler agar dapat dihasilkan pulsa dengan lebar sesuai keinginan. Hal yang sangat penting adalah pengaturan frekuensi dan lebar pulsa on dan pulsa off. Oleh karena itu perlu dihitung berapa konstanta-konstanta timer yang di atur pada mikrokontroler. Dua parameter utama yang diperlukan untuk mencari konstanta-konstanta timer adalah nilai clock mikrokontroler dan nilai clock timer (ditentukan dari prescaler). Dari kedua parameter itu dapat dirancang lebar pulsa high dan pulsa low dengan frekuensi tertentu. Clock eksternal yang digunakan adalah 11,059200 MHz. Pembangkitan PWM menggunakan Timer1 karena timer ini dapat menampung data sebesar 16 bit. Mode PWM yang dipilih adalah Phase Correct PWM top=icr1 dengan prescaler 8 sehingga nilai clock timer adalah 1382,4 khz. Dengan demikian kenaikan counter pada timer dapat dihitung dari periodenya yaitu 1/1382,4 khz = 7,2338 x 10-7 s atau sekitar 72,34 mikrosekon. Pada mode SLOW, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 15 khz. Periode dari frekuensi tersebut adalah 6,66 x 10-5 s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM maka periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer adalah 3,33 x 10-5 s. Nilai top dari timer bergantung dari ICR1 dimana nilainya dihitung dari pembagian total waktu yang diinginkan dengan periode timer yaitu 3,33 x 10-5 s / 7,2338 x 10-7 = 46,034. Nilai inilah yang perlu dimasukkan ke register ICR1. Karena register adalah tipe data integer maka perlu dibulatkan menjadi 46. Dalam bilangan hexadesimal menjadi 0 x 2E. 16
Pada mode RMAL, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 17,5 khz. Periode dari frekuensi tersebut adalah 5,71 x 10-5 s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM maka periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer adalah 2,86 x 10-5 s. Nilai top dari timer yaitu 2,86 x 10-5 s / 7,2338 x 10-7 = 40,089 = 40. Dalam bilangan hexadimal menjadi 0 x 28. Pada mode FAST, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 20 khz. Periode dari frekuensi tersebut adalah 5 x 10-5 s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM maka periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer adalah 2,5 x 10-5 s. Nilai top dari timer yaitu 2,5 x 10-5 s / 7,2338 x 10-7 = 34,56 = 35. Dalam bilangan hexadesimal menjadi 0 x 23. Untuk mengatur duty cycle harus dicari nilai OCR. Nilai OCR dapat dihitung dengan membagi lagi nilai periode dengan dua karena ditetapkan duty cycle sebesar 50% (setengahnya), maka didapat 1,67 x 10-5 s. Sehingga 1,67 x 10-5 s / 7,2338 x 10-7 s = 23,1 atau dalam hexadesimal 0 x 17. Dengan cara tersebut, maka didapatkan nilai OCR untuk mode SLOW yaitu 0 x 17, mode RMAL 0 x 14, dan mode FAST 0 x 11. 3.2.2. Pilihan Menu Gambaran program pilihan menu akan dijelaskan oleh diagram alir pilihan menu pada gambar 3.10. 17
Start PWM 20 KHz Cek input Menu PWM 15 KHz Cek menu Slow Ambil data suhu Tampilkan ke LCD Cek menu Normal PWM 17.5 KHz Ambil data suhu Cek tombol Reset Cek menu Fast Tampilkan ke LCD PWM 20 KHz Ambil data suhu Cek tombol Reset Tampilkan ke LCD Cek tombol Reset Gambar 3.10. Diagram Alir Pilihan Menu 18