Kontrol DC Chopper Dengan Picuan Mikrokontroler Untuk Menggerakkan Motor Arus Searah

DC Chopper Dengan Picuan Mikrokontroler Sebagai Penggerak Motor Arus Searah

Perancangan, Realisasi dan Evaluasi

Ekki Kurniawan

Institut Teknologi Telkom–Fakultas Elektro dan Komunikasi–Program Studi Teknik Elektro

Bandung, Indonesia ekki0793@yahoo.com

Zulfi

Institut Teknologi Telkom–Fakultas Elektro dan Komunikasi–Program Studi Teknik Elektro

Bandung, Indonesia zfist3@yahoo.com

Abstrak - Paper ini membahas perancangan dan implementasi DC Chopper topologi buck sebagai penggerak motor arus searah.

Tegangan keluaran DC Chopper diatur oleh duty cycle dari sinyal pulse width modulation (PWM) yang dibangkitkan oleh sistem minimum mikrokontroler ATMEGA8535. Pengujian yang dilakukan pada dua buah motor arus searah penguatan terpisah kapasitas masing-masing berkapasitas 200 V 9 A dan 220 V 0,55 A, dengan tegangan masukan 30 V dan duty cycle 80 %, menghasilkan tegangan keluaran berturut-turut sebesar 14,7 V dan 17,9 V, arus keluaran berturut-turut sebesar 1 A dan 0,14 A, kecepatan perputaran motor berturut-turut sebesar 903,6 rpm dan 599,3 rpm dan efisiensi berturut-turut sebesar 50 % dan 60

%.

Kata kunci : DC Chopper, motor arus searah, Pulse Width Modulation

I. PENDAHULUAN

Pada masa sekarang ini, diperlukan motor arus searah dengan kapasitas besar untuk digunakan pada industri-industri.

Untuk menggerakan motor arus searah tersebut diperlukan catu daya yang mempunyai efisiensi tinggi. Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. DC Chopper adalah sistem catu-daya yang bekerja dalam mode switching.

Makalah ini akan menjelaskan tentang perancangan dan implementasi DC Chopper sebagai penggerak motor arus searah berkapasitas 200 V 9 A dan 220 V 0,55 A dengan kendali PWM dari mikrokontroler. Sinyal PWM menghasilkan tegangan yang bervariasi sesuai dengan duty cycle yang diatur.

Duty cycle menyatakan perbandingan waktu sinyal ON dengan perioda sinyal tersebut. Nilai tegangan yang didapat akan masuk ke rangkaian DC Chopper yang akan diproses selanjutnya.

Topologi sederhana dari DC Chopper dapat dilihat pada gambar 1. Gambar 1a adalah topologi buck sebagai penurun tegangan, gambar 1b adalah topologi boost sebagai penaik tegangan, dan gambar 1c adalah topologi buck-boost sebagai penaik-penurun tegangan. Saklar S pada setiap gambar menunjukkan bahwa DC Chopper ini bekerja pada mode pensaklaran. Frekuensi pensaklaran (f) ditentukan oleh

rangkain pemicu (triggering circuit) atau disebut juga sebagai rangkaian kendali.

DC Chopper topologi buck terdiri atas satu saklar aktif dan satu saklar pasif (dioda). Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar aktif terhadap periode penyaklarannya. Nilai duty cycle bisa diubah dari nol sampai satu. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan keluaran selalu lebih rendah dibanding tegangan masukannya.

(a) Buck

(b) Boost

(c) Buck-Boost

Gambar 1 Topologi Dasar DC Chopper

II. M^ODELDAN P^ERANCANGAN S^ISTEM A. Perancangan Perangkat Keras

Gambar 2 menunjukkan konfigurasi rangkaian dari perancangan sistem

Gambar 2 Konfigurasi Rangkaian

1) Rangkaian Daya

Rangkaian daya terdiri sumber tegangan searah, komponen saklar, dioda dan beban induktif. Rangkaian dilengkapi dengan komponen penyimpan energi induktor dan kapasitor. Komponen saklar direalisasikan dengan power MOSFET, yang spesifikasinya disesuaikan dengan beban.

Beban motor memiliki rating tegangan 200 V - 220 V, arus 0,55 A - 9 A. Oleh karena itu digunakanlah MOSFET jenis IRFP 460A dengan spesifikasi tegangan maksimal 500 V dan arus maksimal sebesar 20 A sehingga kapasitas maksimumnya menjadi 10 kW, derating factor 2 W/^oC pada suhu kamar 25^oC, 2,5 % nya menjadi panas. MOSFET daya ini merupakan jenis N kanal-enhancement. Waktu on 32 ns dan waktu off 20 ns sehingga frekuensi pensaklaran dapat mencapai 20 kHz.

Dioda yang dipakai adalah zener tipe MBR1645. Dioda ini merupakan jenis schottky barrier rectifier yang berfungsi sebagai freewheeling diode. Dioda ini memiliki kemampuan arus yang besar serta pengaturan switching yang cepat. Sesuai dengan tipenya, dioda memiliki spesifikasi tegangan 45 V dan arus 16 A. Besar induktor L adalah 100 µH, dan kapasitor filter C adalah 22 µF. Nilai–nilai tersebut diperoleh berdasarkan persamaan arus riak induktor [3] :

ΔI=V_o

(

^E−Vo

)

fLE (1)

dan persamaan tegangan riak kapasitor [3] : ΔV_c=V_o(^E−Vo)

8LCf²E (2)

dimana f adalah frekuensi pensaklaran sesuai dengan yang dihasilkan mikrokontroler, E adalah tegangan masukan dan Vo

tegangan keluaran DC Chopper.

2) Rangkaian Proteksi

Pada komponen MOSFET dan komponen diode zener ditambahkan rangkaian snubber yang berfungsi untuk melindunginya dari perubahan arus di/dt dan perubahan tegangan dv/dt. Rangkaian snubber terdiri dari komponen resistor dan kapasitor non-polar.

Rangkaian proteksi berikutnya adalah rangkaian optocoupler. Rangkaian ini menggunakan IC 4n27 dengan tambahan resistor 220 Ω dan 3,3 kΩ. Rangkaian ini berfungsi sebagai isolasi antara rangkaian sistem minimum dengan rangkaian DC Chopper yang bertegangan cukup tinggi.

Gambar 3. Rangkain Pengganti Optocoupler, Bentuk Gelombang IF dan Vo

Rangkaian ini juga berfungsi untuk memberikan sinyal pada gate MOSFET. Berdasarkan datasheet-nya, bentuk gelombang masukan dan keluaran optocoupler dapat dilihat pada gambar 3. Sinyal PWM yang dihasilkan oleh mikrokontroler masuk ke dalam rangkaian optocoupler.

Selanjutnya sinyal keluaran rangkaian optocopuler akan masuk ke dalam rangkaian Chopper.

Untuk mendinginkan MOSFET yang panas akibat proses switching maka ditambahkan juga heatsink agar suhunya dapat dijaga sesuai dengan spesifikasi yang telah ditetapkan.

3) Rangkaian kendali

Rangkain kendali pada sistem ini adalah mikrokontroler ATMEGA8535. Potensiometer pada rangkaian sistem minimum tersebut mengatur tegangan set point yang berkisar antara 0 V sampai 5 V.

Dengan mengubah nilai tegangan tersebut, maka kecepatan motor akan berubah sesuai dengan nilai tegangan yang diberikan. Pengkondisi sinyal pada sistem umpan balik akan membaca nilai tegangan keluaran dan akan dibandingkan dengan set point yang telah ditetapkan.

Program pengaturan PWM pada sistem minimum ATMEGA8535 diatur dengan keluaran timer pada sistem minimum tersebut. Pengaturan dilakukan dengan mengubah OCR pada timer sistem minimum dan yang digunakan pada perancangan ini yaitu timer 1. Selain timer, mode kerja perlu juga diatur. Adapun mode kerja yang diset pada perancangan ini yaitu mode fast PWM dengan nilai clock sesuai dengan clock yang dipakai pada sistem minimum yaitu sebesar 16 MHz. Frekuensi yang dihasilkan sebesar 7,812 kHz berdasarkan pada rumus [1,2] :

T= 1

CPU clock×prescale×resolusi

(3) Prescale di-set pada angka 8 dan resolusi 256 sehingga akan didapatkan hasil yaitu :

T = x 8 x 256 = 0,000128 s f = maka f = = 7812 Hz atau 7,812 kHz

B. Sinyal PWM dan sinyal pemicu DC Chopper

Gambar 4 menunjukkan sinyal PWM dari mikrokontroler ATMEGA8535 dan tegangan picuan yang masuk pada gate MOSFET (Vg) yang telah dibuat untuk duty cycle 40%, 60%

dan 80%. Frekuensi yang dihasilkan adalah 7,813 KHz, dengan Vmax sebesar 5,12 V.

Sinyal PWM pada duty cycle 40% Vg pada duty cycle = 40%

Sinyal PWM pada duty cycle 60% Vg pada duty cycle = 60%

Sinyal PWM pada duty cycle 80% Vg pada duty cycle = 80%

Gambar 4. Sinyal PWM Keluaran Sistem Minimum ATMEGA 8535 dan Sinyal Gate pada MOSFET DC Chopper

III. E^VALUASIDAN D^ISKUSI C. Hasil Pengujian

Berbagai data hasil pengujian alat untuk beberapa nilai duty cycle pada motor arus searah kapasitas 200 V 9 A dan motor arus searah 220 V 0,55 A penguatan bebas berturut-turut diberikan pada tabel 1 dan 2. Pengujian alat pada kedua motor menggunakan tegangan masukan sebesar 30 V.

Tabel 1 Hasil Pengujian Alat Pada Beban Motor arus searah Kapasitas 200 V 9 A Penguatan Bebas

Duty Cycle

(%) Vo (V) Ii (A) Io (A) n (rpm)

0 0 0 0 0

20 3.2 0.56 0.88 87.6

40 6.52 0.85 0.98 325.7

60 10.5 0.95 0.99 640.5

80 14.7 0.98 1 903.6

100 16.5 1.02 1 1025

Tabel 2 Hasil Pengujian Alat Pada Beban Motor arus searah Kapasitas 220 V 0,55 A Penguatan Bebas

Duty Cycle

(%) Vo (V) Ii (A) Io (A) n (rpm)

0 0 0 0 0

20 6.6 0.1 0.13 14.4

40 15.3 0.13 0.14 323

60 17.2 0.14 0.14 582

80 17.9 0.14 0.14 599

100 18.8 0.14 0.14 625

D. Tegangan Keluaran

Tegangan keluaran DC Chopper untuk beberapa nilai duty cycle ditunjukkan pada gambar 5.

Gambar 5. Tegangan Keluaran Vs. Duty Cycle

Tampak bahwa tegangan keluaran semakin besar seiring dengan meningkatnya duty cycle. Hal tersebut menunjukkan bahwa duty cycle dapat mengatur tegangan keluaran. Hasil tegangan keluaran terlihat tidak maksimal yang diakibatkan oleh adanya drop tegangan pada beban. Tegangan keluaran DC Chopper yang diaplikasikan pada motor arus searah kapasitas besar (motor arus searah 200 V 9 A) lebih kecil dibanding motor arus searah kapasitas kecil (motor arus searah 220 V 0,55 A) untuk semua harga duty cycle.

E. Kecepatan Putaran Motor

Kecepatan putaran motor hasil pengujian untuk beberapa nilai duty cycle ditampilkan pada gambar 6. Tampak bahwa kecepatan putaran motor semakin besar dengan meningkatnya duty cycle. Hal ini terjadi karena duty cycle yang besar akan menghasilkan daya keluaran yang besar disebabkan karena tegangan keluaran yang besar. Hasil ini sesuai dengan yang diharapkan. Kecepatan putaran motor arus searah kapasitas besar lebih cepat dibanding motor arus searah kapasitas kecil untuk semua harga duty cycle.

Gambar 6 Kecepatan Putaran Motor Vs. Duty Cycle

F. Efisiensi

Efisiensi DC Chopper untuk beberapa nilai duty cycle ditampilkan pada gambar 7.

Gambar 7 Efisiensi Vs. Duty Cycle

Tampak bahwa efisiensi yang dihasilkan belum seperti yang diharapkan. Hal ini disebabkan karena beberapa hal, yaitu elemen penyimpan energi induktor L dan kapasitor C tidak bekerja dengan sempurna, drop tegangan pada rangkaian proteksi optocoupler dan snubber relatif besar, dan rugi-rugi saklar MOSFET. Efisiensi semakin besar jika duty cycle diperbesar. Hal ini terjadi karena duty cycle yang besar akan menghasilkan tegangan keluaran yang besar sedangkan arus keluaran relatif konstan sebagaimana terlihat pada tabel 1 dan 2. Efisiensi DC Chopper yang diaplikasikan pada motor arus

searah kapasitas besar lebih kecil dibanding motor arus searah kapasitas kecil untuk semua harga duty cycle.

IV. KESIMPULAN

Sistem DC Chopper berhasil diaplikasikan untuk mengatur perputaran motor arus searah. Pengujian pada dua buah motor arus searah penguatan terpisah dengan kapasitas 200 V 9 A dan 220 V 0,55 A dengan tegangan masukan 30 V memberikan hasil sesuai yang diharapkan, yaitu ketika duty cycle diperbesar, tegangan keluaran semakin besar sehingga motor berputar semakin cepat. Efisiensi yang dihasilkan belum seperti yang diharapkan, disebabkan karena penyimpan energi L dan C tidak bekerja dengan sempurna, besarnya drop tegangan pada rangkaian proteksi optocoupler dan snubber, dan rugi-rugi saklar MOSFET.

UCAPAN TERIMAKASIH

Kami menghaturkan terima kasih kepada semua pihak yang telah berpartisipasi dalam penulisan makalah ini, terutama kepada Aly Muayyadi, Phd., dekan FEK IT Telkom, kepada Moh. Ary Murti MT., Achmad Rizal MT., sebagai Kaprodi Teknik Elektro. Kami juga mengucapkan terima kasih kepada para mahasiswa khususnya kepada Siti Hamdiah,Ismail Hasya dan Priambodo, merupakan angkatan pertama Prodi Teknik Elektro yang membantu proses pembuatan dan pengujian alat ini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Heryanto, M. Ary dan Wisnu Adi P.

Pemrograman Bahasa C untuk Mikrokontroler ATMEGA8535.

Yogyakarta : 2008.

[2] Nugroho, Seno Ajie. 2010.

Perancangan dan Implementasi DC to DC Converter sebagai Driver Motor DC Kapasitas 200 volt 9 ampere dengan Metode Pulse Width Modulation. Bandung : IT Telkom.

[3] Rashid, Muhammad Harunur.

Power Electronics. USA : Prentice Hall. p190-195,1988.

[4] Kazimierczuk, Marian K. 2008.

Pulse-Width Modulated DC–DC Power Converters. Dayton, Ohio, USA : Wright State University.

[5] K.S.Oh, MOSFET Basics AN9010, FairChild Semiconductor. July, 2000,

[6] Hamdiyah, Siti, Design and Implementation DC to DC Converter as DC Motor Driver without Load Capacity of 200 volt 10 ampere with Pulse Width Modulation Method, Final Project, IT Telkom , 2011.