Engineering-Electrical: Looping Catu Daya Digital

TUGAS 3

Konsep pembuatan catu daya digital ini adalah memanfaatkan DAC (digital to analog converter) yang telah dikuatkan oleh rangkaian penguat sebagai pengendali tegangan outputnya, dan sebagai feed back nya, penulis menggunakan ADC 10 bit mikro ATMega16 untuk mengukur tegangan outputnya secara pasti. Tegangan output catu daya ini bisa di-set mulai 0 volt sampai 32 volt DC dg arus maksimumnya ±1,5 Amper. Diagram bloknya seperti di bawah ini:

Sebagai pusat kendali adalah ATMega16. Yang berfungsi memberikan output biner 1 dan 0 sebanyak 16 bit secara paralel ke rangkaian DAC. dan melakukan pembacaan tegangan output akhir dg ADC 10 bit internalnya. Rangkaian sistem minimumnya seperti ini:

DAC yang digunakan adalah rangkaian R2R ladder yang mengkonversi nilai biner 16 bit ke besaran tegangan analog. Dikatakan R2R ladder karena mirip seperti tangga yang menaikkan tegangan outputnya sebesar Vref/65536 volt setiap penambahan 1 bit pada masukannya. Rangkaian R2R laddernya seperti di bawah ini:

Nilai output tegangan DACnya adalah Z*(Vcc/((2^n)+1))), dengan Z adalah bilangan desimal 16 bit (mulai 0 s/d 65535) Vcc adalah 5 volt, n = jumlah bit, yaitu 16 bit. Sehingga output DACnya bisa disederhanakan menjadi DAC out = Z*(5Volt/65536) volt. Nilai z ditentukan dengan memberikan logika 1 atau 0 (5volt atau 0 volt) pada PORTB dan PORTD mikro. Bila PORTB dan PORTD mikro berlogika 1 semua (0Xff) didapatkan:

Z=1*(2^15)+ 1*(2^14)+ 1*(2^13)+………. +1*(2^1)+ 1*(2^0)=65535 maka DAC out nya adalah 65535*(5volt/635536) = 4,9999237060546875 atau mendekati 5 volt (maksimum).

Rangkaian penguat berfungsi mendapatkan tegangan dan arus output yang lebih besar, karena catu daya ini didesain untuk tegangan output maksimum 32 volt. Mengandalkan output tegangan DAC saja tentunya tidak cukup karena maksimumnya hanya 5 volt. Rangkaian penguat ini terbagi menjadi 2 bagian, yaitu penguat tegangan dan penguat arus, Komponen utama penguatnya adalah transistor.

             Sebagai penguat tegangan, digunakan transistor BC547 dan BC557 yg memiliki gain cukup besar. Besarnya gain (penguatan) tegangan di atas ditentukan oleh R2 dan R3 sebesar (R2+R3)/R3 atau sekitar 7,8 kali tegangan DAC. Untuk pnguat arusnya digunakan rangkaian darlington kombinasi TIP122 dan jengkol 2N3055 sehingga drop tegangan output anggaplah sekitar 0,7×2 volt = 1,4 volt (drop tegangan basis-emitor ). Anggaplah tegangan DAC maksimum adalah 5 volt, maka output penguatnya adalah (5×7,8)-1,4 volt = sekitar 37,6 volt.

            Tapi hal ini tidak mungkin terjadi karena maksimum tegangn input DC yang digunakan adalah 35 volt. Sehingga maksimum teg. Outputnya ya sekitar 35 volt – 1,4 volt = 33,6 volt saja. Dari sini rangkaian di atas sudah cukup bila digunakan untuk mendesain catu daya tegangan output dari 0 s/d 32 volt.

            R4 dan R5 di atas berfungsi sebagai rangkaian pembagi tegangan agar tegangan output nya dpat dibaca oleh mikro. Tegangan output catu daya maksimum adlah 32 volt. Bila langsung dibaca oleh mikro.. bisa bisa pin mikronya langsung meleduk (kobong):D, untuk itu diperlukan rangkaian penurun tegangan seperti di atas. Tegangan drop pada pin “teg.” Adalah Vout x R5/(R4+R5) atau 32 volt x 150k / 1150k atau sekitar 4,17 volt.

            Nilai inilah yang maksimum terbaca oleh ADC sehingga mikro masih aman.. R4 dan R5 sengaja dibuat besar agar tidak terjadi drop arus pada beban outputnya . Sedangkan R Shunt di atast fungsinya untuk sensitivitas pengukuran arus beban pada output. R shunt dibuat sekecil mungkin agar tidak terjadi drop tegangan dan arus yang terlalu besar pd output.

           Bagaimana kita tahu arus pada beban..? caranya adalah dg mengukur tegangan pada R shunt melalui ADC mikro dan membaginya dengan nilai R shunt.. misal, diketahui R shunt adalah 0.2 ohm dan tegangan pada pin “arus” yang yg terbaca mikro adalah 100 mVolt, maka Arusnya sekitar 100 mVolt/0.2 ohm = 500 mA.

           ADC seperti telah di jelaskan di atas. Terdpt dua channel ADC yang digunakan , yaitu channel 0 (PORTA.0) dan channel 1 (PORTA.1). channel 0 untuk mengukur tegangan output sedangkan channel 1 untuk arusnya. ADC yang digunakan 10 bit sehingga resolusi tegangan output yang bisa diukur adalah Vcc/1024, yaitu sekitar 4,88 mV. Nilai tegangan dan arus yang terbaca ini kemudian digunakan sebagai masukan kendali DAC oleh mikro ATMega16, bila tegangan output kurang dari set point, maka mikro harus menambah nilai DAC nya untuk menambah tegangan dan sebaliknya. Sehingga didapatkan tegangan output yang fix sesuai set point yang diatur pada program.
Rangkaian keseluruhan sistem seperti dibawah.

Setelah merancang hardware, saatnya membuat software/algoritma pengendalian tegangan dan arusnya.. secara umum algoritma untuk regulasi tegangan adalah dengan membaca tegangan dari sambungan “teg.” melalui ADC pada PINA.0. tegangan tersebut dikalikan dg suatu konstanta untuk kalibrasi dg tegangan output sebenarnya. Bila tegangan kurang dari tegangan set point-20 mV maka tegangan output DAC ditambah terus, sebaliknya bila tegangan output catu daya lebih dari set point+20 mV maka tegangan output DAC dikurangi. 20 mV adalah toleransi setpoint tegangan output. Untuk regulasi arus pada sumber arus prinsipnya sama, dg membaca tegangan R shunt pada ADC PINA.1 dan membaginya dengan 0.2 ohm (hambatan R shunt/lihat rangkaian di atas). lebih jelasnya, flow chart sistem umumnya seperti ini :