Untuk mengendalikan intensitas lampu pijar dapat diimplementasikan dengan banyak metode. Pengendalian ini pada prinsipnya dengan mengendalikan daya yang masuk ke lampu pijar. Lampu pijar yang bekerja pada tegangan AC, pengendalian dayanya dapat dilakukan dengan triac. Daya yang melewati lampu diatur dengan sudut picu pada triac-nya. Proses pengaturan sudut picu triac ini dikendalikan dengan mikrokontroler.
Sistem ini terdiri atas empat blok utama, yaitu zero detector, potensiometer, mikrokontroler dan driver triac. Zero detector digunakan untuk mendeteksi tegangan nol volt sinyal AC, potensiometer digunakan untuk mengatur tegangan masukan pada mikrokontroler, mikrokontroler digunakan untuk mengolah masukan dari potensiometer menjadi data digital yang digunakan untuk mengatur sudut picu triac dan driver triac digunakan untuk antarmuka mikrokontroler dengan triac yang terhubung dengan tegangan AC 220 volt.
1. Pendahuluan
Perlu adanya upaya untuk mengurangi konsumsi energi listrik yang tidak diperlukan. Salah satu peralatan yang banyak digunakan manusia adalah lampu pijar. Usaha untuk mengatur daya yang masuk lampu ini salah satunya adalah dengan mengatur intensitasnya. Perubahan intensitas lampu ini dikendalikan dengan banyak cara. Salah satu cara untuk mengatur intensitas lampu adalah dengan mikrokontroler yang banyak dijumpai di pasaran.
Mikrokontroler sebagai piranti yang semakin berkembang memiliki banyak manfaat, dapat diprogram sesuai dengan kebutuhan. Mikrokontroler merupakan mikroprosesor kecil yang di dalamnya memiliki fungsi khusus. Mikrokontroler ini umumnya dapat diprogram melalui komputer dengan interface seperti COM atau LPT bahkan yang terbaru melalui USB (Universal Serial Bus). Mikrokontroler ini dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan karena dapat diprogram dengan banyak bahasa.
2. Dasar Teori
Prinsip kerja zero detector adalah dengan membandingkan tengangan AC dengan tegangan referensi nol volt. Apabila tegangannya lebih besar dari nol volt maka output zero detector akan high dan apabila lebih kecil dari nol volt maka outputnya akan low. Perubahan dari low ke high (PGT) dan dari high ke low (NGT) inilah saat terjadi zero.
Potensiometer ini berfungsi untuk membagi tegangan. Input tegangan potensiometer ini dari 0 sampai 5 volt. Output tegangan potensiometer ini nantinnya akan dibaca oleh ADC yang sudah terintegrasi dalam ATmega8535. Masukan ADC ada 8 channel tetapi dalam penelitian ini yang digunakan hanya 4 sehingga potensiometernya juga hanya butuh 4.
ATmega8535 berfungsi sebagai pemroses data masukan potensiometer dan zero detector. Data berupa tegangan diubah menjadi data digital oleh ADC dalam ATmega8535. Operasi ADC menggunakan single ended conversion yang berarti tegangan masukan merupakan tegangan terhadap 0 volt. Resolusi ADC ini adalah 10 bit sehingga total level yang dibangkitkan adalah 210 = 1024 level.
Gambar 1 Diagram blok sistem kendali intensitas lampu
3. Metodologi Penelitian
Penelitian dimulai dengan perancangan di atas kertas. Komponen yang akan digunakan berdasar teori yang sudah ada dan nilai-nilainya berdasar datasheet, agar memberikan hasil sesuai harapan. Selanjutnya dilakukan pengujian pada tiap blok sistem untuk mengetahui hubungan input dan outputnya dimulai dari zero detector sampai dengan pengujian sistem secara keseluruhan. Untuk mengetahui kinerja dari sistem ini maka pengujian dilakukan dengan mengamati gelombang outputnya dan intensitas lampu berdasar masukan tegangan masukan ADC-nya.
Zero detector
Rangkaian zero detector yang digunakan dalam sistem ini menggunakan IC komparator LM393. Outputnya dihubungkan dengan kaki INT0 (pin 16) pada mikrokontroler.
Gambar 2 Rangkaian zero detector
Saat fase positif komparator akan menghasilkan output high (Vcc) dan saat fase negatif akan menghasilkan output low (0 volt). Jadi outputnya adalah gelombang kotak dengan frekuensi sesuai dengan frekuensi AC-nya yaitu 50 Hz.
Potensiometer
Output potensiometer ini dihubungkan dengan port A mikrokontroler yang berfungsi sebagai ADC. Rangkaian potensiometer sebagai input ADC yang terdiri atas 4 potensiometer terlihat seperti Gambar 3.
Gambar 3 Potensiometer Pembagi Tegangan
Perlu diingat bahwa tegangan output potensiometer ini tidak berfungsi untuk menyediakan daya, namun hanya dibaca tegangannya. Tegangan output ini hanya sebagai data untuk mengatur sudut picu pada pentrigeran Triac. Data inilah yang nantinya diolah oleh mikrokontroler.
Mikrokontroler
Mikrokontroler ini sebagai pengolah data masukan tegangan ADC yang masuk ke port A. Tegangan yang masuk ke port A kemudian diubah menjadi data data digital oleh ADC yang sudah terintegrasi di dalam mikrokontroler. Data 10 bit hasil konversi ADC yang selanjutnya disebut NKADC yaitu:
………………………………………………………………………………(3.1)
Tegangan referensi sama dengan Vcc yaitu 5 volt. Nilai tegangan masukan 0 sampai 5 volt, maka ADC ini memilki resolusi sebagai berikut.
Resolusi ADC = 5/1024 volt/level = 4,8828125 mV/level
Besarnya NKADC ini nantinya digunakan sebagai acuan delay pentrigeran. Pada penelitian ini basis waktu terkecil yang digunakan adalah 10 mikrodetik. Basis waktu terkecil dipilih 10 mikrodetik untuk memudahkan perancangan. Selain itu kemampuan membuat delay minimum dari program Basic adalah 5 mikrodetik itupun tidak dapat variabel. Sehingga untuk membuat delay berupa variabel dibuat subrutin tersendiri untuk menghasilkan delay yang dapat diubah-ubah.
Besarnya delay pemicuan triac ditentukan dengan persamaan berikut.
Delay = NKADC x 10 us ………………………………………………………………………..(3.2)
Berdasar Persamaan 3.2, delay terkecil adalah 0 mikrodetik dan terbesar 10240 mikrodetik. Delay terbesar yaitu 10240 us = 10,24 ms telah melebihi setengah periode gelombang AC PLN yaitu ½ x 20 = 10 ms. Sistem ini dirancang hanya mengendalikan firing untuk setengah gelombang AC, maka dalam implementasinya perlu adanya pembatasan NKADC-nya melalui program. Besarnya delay firing untuk setengah gelombang AC ditunjukkan Gambar 4a.
|
|
|||
saat zero delay firing saat firing
(a) (b)
Gambar 4 Delay firing dan lebar pulsa firing
Pada penelitian ini lebar pulsa firing yang digunakan adalah 10 mikrodetik. Lebar pulsa minimum firing berdasar datasheet adalah 2 mikrodetik. Lebar pulsa dipilih 10 mikrodetik untuk memudahkan perancangan walaupun minimumnya dapat mencapai 5 mikrodetik. Pulsa low ini dikeluarkan di port C yang terhubung ke driver triac. Gambar pulsa low firing ditunjukkan Gambar 4b
Driver Triac
Driver triac yang digunakan adalah tipe MOC3020. Driver ini termasuk jenis optocoupler sehingga relatif aman jika terjadi ketidaknormalan pada bagian beban. Rangkaian driver ini ditunjukkan Gambar 5.
|
Gambar 5 Driver Firing Triac MOC3020
Pengaktifan Triac melalui driver ini adalah dengan pulsa low yang berasal dari port C (C0 – C3). Pada saat ada pulsa low (0 volt) pada kaki 2 maka akan terjadi beda potensial antara kaki 1 dan 2 sehingga arus mengalir dan dioda dalam MOC3020 memancarkan cahaya sehingga bilateral switch ON, arus mengalir dari kaki 6 ke 4 akan mengaktifkan Triac menjadi ON sehingga Triac dapat mengalirkan arus.
Fungsi resistor 180 ohm adalah untuk membatasi arus yang mengalir melalui dioda. Untuk bagian tegangan rendah (sebelah kiri) arus yang mengalir maksimum 30 mA. Apabila hambatan dioda dalam MOC3020 diabaikan maka arus yang mengalir dapat dihitung sebagai berikut.
I = 5/180 = 0,02778 A = 27,78 mA (masih di bawah nilai yang diizinkan)
Arus 27,78 mA bagi mikrokontroler sudah dianggap besar, sehingga pengaktifan MOC3020 dengan active low agar mikrokontroler tidak melakukan sourcing.
4. Hasil Implementasi dan Pembahasan
Pengujian dilakukan dengan mengamati gelombang masukan dan keluaran zero detector. Gelombang masukan dan keluaran zero detector dapat dilihat di Gambar 6.
Gambar 6 Gelombang input dan output zero detector
Output zero detector ini selanjutnya dihubungkan ke kaki INT0 (pin 16) pada mikrokontroler ATmega8535. Mikrokontroler membaca zero hanya pada saat PGT untuk mengaktifkan INT0 dengan mengatur programnya sehingga interupsi terjadi setiap 20 ms (sama dengan periode gelombang AC).
Pengujian selanjutnya adalah dengan mengamati gelombang yang terjadi pada triac terhadap masukan tegangan pada ADC-nya. Hasil untuk masukan ADC 0 volt terlihat di Gambar 7.
Gambar 7 Gelombang output triac untuk masukan ADC 0 V
Untuk masukan tegangan pada ADC 1 volt terlihat di Gambar 8.
Gambar 8 Gelombang output triac untuk masukan ADC 1 V
Untuk masukan tegangan pada ADC 2 volt terlihat di Gambar 9.
Gambar 9 Gelombang output triac untuk masukan ADC 2 V
Perlu diketahui bahwa gelombang ini adalah gelombang yang melewati Triac. Gelombang yang melwati beban adalah bagian gelombang AC yang tidak terlihat (bagian gelombang AC yang seolah-olah hilang). Namun dari situ dapat diamati besarnya delay firing (pulsa firing terjadi pada bagian yang tegak).
Pada grafik tersebut terlihat bahwa semakin besar tegangan masukan maka besarnya delay makin kecil hal ini karena adanya pembalikan nilai pada programnya. Tujuan dari pembalikan nilai adalah agar saat nilai ADC makin besar maka lampu makin terang. Akibat adanya pembalikan itu maka makin besar tegangan masukan ADC makin kecil delay-nya tetapi lampu makin terang karena daya yang dilewatkan melalui Triac makin besar. Jadi makin besar masukan tegangan ADC lampu makin terang.
Pengujian terakhir adalah mengamati hubungan intensitas lampu pijar dengan masukan tegangan pada ADC. Hubungan ini dapat dilihat di Gambar 10.
Gambar 10 Grafik hubungan intensitas terhadap tegangan
5. Kesimpulan
- Pengendalian setengah gelombang AC membuat nyala lampu terasa bergetar
- Hubungan masukan tegangan ADC dan intensitas lampu sebanding tetapi tidak linear
- Sistem sensitif terhadap gangguan dari luar terutama ground-nya
- Kinerja sistem secara keseluruhan cukup baik
6. Daftar Pustaka
[1] Atmel, 2005. ‘8 Bit AVR Microcontroller ATMEGA8535’ http://www.atmel.com, USA.
[2] Brown B, 1999. ‘A Simple Exchange Sort Algorithm’ http://gd.tuwien.ac.at/
[3] Electronic T, 2002. ‘AN1001: Fundamental Characteristic of Thyristor’
[4] Electronic T, 2002. ‘AN1003: Phase Control Using Thyristor’
[5] Engdah. T, 2004. ‘Light dimmer circuits’ http://www.epanorama.net
[6] Eurotherm, 2005. ‘Eurotherm | Knowledge | What is a thyristor?’ http://www.eurotherm.co.uk/uk/eng/Knowledge/PowerControl/
[7] Farlex. Inc, 2004. ‘Thyristor – encyclopedia article about Thyristor’ http://encyclopedia.thefreedictionary.com/Thyristor, USA.
[8] Hamonangan A, 2005. ‘Thyristor’ http://www.electroniclab.com/
[9] Missirliu P, 2002. ‘Universal Thyristor Driving Board Using Atmel’s ATmega163 Microcontroller’ Lycee Newton-Enrea
[10] Ryan. V, 2002. ’The Thyristor’ http://www.technologystudent.com
[11] Xiaobo Tan dkk, 1998. “Characteristic and Firing Control of Thyristor Controlled Series Compensation Installations” IEEE Press, New York.
[12] Anonim, 2003. ‘AVR Architecture’ http://www.avrbeginners.net
[13] Anonim, 1999. ‘Three Quadrant Triacs bring major benefit to OEMs’
http://www.semiconductors.philips.com, Netherlands.
Untuk lebih jelasnya kunjungi link dibawah ini :
Blog Umum 