Pulse width modulation
Download as PPTX, PDF14 likes16,715 views
Pulse Width Modulation (PWM) adalah teknik untuk mengendalikan lebar pulsa dalam sinyal untuk menghasilkan tegangan rata-rata yang bervariasi, dan digunakan dalam berbagai aplikasi seperti kontrol motor dan pencahayaan LED. PWM dapat diaplikasikan menggunakan metode analog maupun digital, dengan hasil yang dipengaruhi oleh resolusi PWM dan duty cycle yang ditentukan oleh rasio waktu pulsa 'on' dan 'off'. Prinsip kerja PWM melibatkan pengaturan sinyal dengan memodifikasi waktu lebar pulsa berdasarkan tegangan referensi untuk mencapai kontrol yang diinginkan.
Pulse width modulation
- 1. Pulse Width Modulation (PWM)
- 2. Pengertian PWM • Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda.
- 3. Contoh Pengaplikasian PWM • . Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya. Aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, pengaturan nyala terang LED dan lain sebagainya.
- 4. • Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. • Lebar Pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, Sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%).
- 5. • Duty cycle dapat diibaratkan ketika kita mengayuh sepeda. Duty Cycle adalah rasio atau perbandingan antara waktu kita mengayuh pedal dan waktu rilek / santai (waktu ayuh + waktu santai). Duty cycle pada kondisi 100% berarti kita mengayuh pedal terus saat kita bersepeda / tanpa waktu santai misalkan seperti pembalap sepeda yang hampir sampai di garis finish, sedangkan kondisi duty cycle 50% berarti anda mengayuh pedal selama setengah dari waktu total anda mengayuh dalam bersepeda.
- 6. • Pulse Width Modulation (PWM) didapatkan dari gelombang kotak atau “square wave” dengan duty cycle yang diubah-ubah untuk mendapatkan variasi dari tegangan keluaran sebagai hasil dari nilai rata-rata gelombang pada PWM tersebut
- 7. Penjelasan secara matematisnya adalah sebagai berikut.
- 8. Penjelasan • Dari gelombang kotak yang bisa di lihat pada gambar diatas maka : • Ton adalah waktu dimana keluaran bernilai tinggi “high” dan Toff adalah waktu dimana keluaran bernilai rendah “low”. Sedangkan Ttotal adalah waktu total atau periode dari gelombang kotak tersebut.
- 9. Pulse Width Modulation (PWM) merupakan salah satu teknik untuk mendapatkan signal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya Sinyal PWM dapat dibangkitkan dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog dengan menggunakan rankaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital.
- 10. • Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 28 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut.
- 12. • Dengan cara mengatur lebar pulsa “on” dan “off” dalam satu perioda gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan sebagai: • DutyCycle=tON/(tON+tOFF)x100%………………….. (1)
- 13. • Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V. pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total tegangan yang ada, begitu seterusnya.
- 14. Untuk melakukan perhitungan pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup sederhana sebagaimana dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 2. di bawah ini.
- 15. • Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada gambar. Average Voltage = (a/a+b)xVfull……………………………...….. (2)
- 16. • Average voltage merupakan tegangan output pada motor yang dikontrol oleh sinyal PWM. a adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal “on”. b adalah nilai duty cycle saat kondisi sinyal “off”. Vfull adalah tegangan maksimum pada motor. Dengan menggunakan rumus diatas, maka akan didapatkan tegangan output sesuai dengan sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan.
- 17. Konsep Dasar PWM • Sebuah rangkaian Pulse Width Modulation (PWM) sederhana dapat direalisasi dengan menggunakan sebuah rangkaian schmitt trigger, rangkaian integrator, dan rangkaian komparator.
- 18. • Penguat operasional blok A menunjukkan rangkaian schmitt trigger berfungsi untuk memdapatkan keluaran tegangan kotak. Penguat operasional blok B menunjukkan rangkaian integrator bertugas merubah tegangan keluaran dari schmitt trigger menjadi tegangan segitiga (gigi gergaji).
- 19. • Besarnya frekuensi tegangan gigi gergaji tergantung dari besanya nilai dari resistor R dan kapasitor C. Untuk mendapatkan tegangan kotak dengan lebar pulsa berubah (PWM-Pulse Width Modulation), tegangan keluaran segitiga integrator dibandingkan dengan tegangan referensi DC pada rangkaian komparator blok C
- 20. Gambar dibawah ini memperlihatkan konsep dasar dari blok diagram rangkaian PWM yang dibangun dengan menggunakan komponen diskrit.
- 21. • Lebar dutycycle (D) PWM ditentukan oleh level pengaturan tegangan referensi VREF dan tegangan keluaran segitiga rangkaian integrator B. Level pengaturan tegangan referensi VREF ditetapkan diantara nilai dari level tegangan keluaransegitiga rangkaian integrator B yang diberikan pada rangkaian komparator C.
- 22. Tegangan keluaran dari komparator berbentuk segitiga dengan durasi tergantung pada tegangan referensi VREF seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Semakin rendah nilai dari tegangan referensi VREF, maka akan semakin lebar durasi waktu pulsa positif dari tegangan keluaran VOB.
- 23. Prinsip Kerja PWM • Untuk menjelaskan prinsip kerja rangkaian dapat diasumsikan, dimana keadaan penguat operasional dalam kondisi ideal dan penguat operasional menggunakan catu daya DC tunggal (single ended DC supply). Terminal positip dari penguat operasional dihubungkan ke terminal positip VB sumber tegangan dan terminal negatip penguat operasional dihubungkan ke massa 0V.
- 24. Kondisi-1 • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0 dan tegangan masukan gergaji VIN=0 dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT =0 seperti yang diperlihatkan Gambar 3.
- 25. Gambar 3. PWM Kondisi Tegangan VREF > Tegangan VIN
- 26. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT = 0V (tegangan DC membentuk garis lurus arah horisontal) seperti yang diperlihatkan Gambar 4.
- 27. Gambar 4.PWM Kondisi Tegangan VREF > Tegangan VIN
- 28. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC mengayun ke arah positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 5.
- 29. Gambar 5.PWM Kondisi Tegangan VREF = Tegangan VIN
- 30. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 6.
- 31. Gambar 6.PWM Kondisi Tegangan VREF < Tegangan VIN
- 32. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 7.
- 33. Gambar 7.PWM Kondisi Tegangan VREF = Tegangan VIN
- 34. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 8.
- 35. Gambar 8.PWM Kondisi Tegangan VREF > Tegangan VIN
- 36. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih besar dari tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 9.
- 37. Gambar 9.PWM Kondisi Tegangan VREF > Tegangan VIN
- 38. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 10.
- 39. Gambar 10.PWM Kondisi Tegangan VREF = Tegangan VIN
- 40. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 11.
- 41. Gambar 11.PWM Kondisi Tegangan VREF < Tegangan VIN
- 42. Kondisi-2 • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0 (potensiometer diatur sehingga tegangan referensi dibuat lebih kecil dari kondisi-1) dan tegangan masukan gergaji VIN=0 dihasilkan tegangan keluaran VOUT =0 seperti yang diperlihatkan Gambar 12.
- 43. Gambar 12 PWM Kondisi Tegangan VREF > Tegangan VIN
- 44. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 13.
- 45. Gambar 13 PWM Kondisi Tegangan VREF = Tegangan VIN
- 46. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF sama dengan tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 14.
- 47. Gambar 14 PWM Kondisi Tegangan VREF = Tegangan VIN
- 48. • Pada saat kondisi tegangan referensi VREF>0V dan tegangan masukan gergaji VIN>0V dengan posisi level tegangan referensi VREF lebih kecil tegangan masukan VIN, dihasilkan tegangan keluaran VOUT > 0V (tegangan DC pulsa positif) seperti yang diperlihatkan Gambar 15.
- 49. Gambar 15 PWM Kondisi Tegangan VREF < Tegangan VIN
- 50. Simulasi Prinsip Kerja PWM
- 51. Analisa Rangkaian • Gambar 16 memperlihatkan skema rangkaian modulasi lebar pulsa (Pulse Width Modulation- PWM) dengan menggunakan IC LM324
- 52. Gambar 16. Rangkaian PWM Menggunakan IC-LM324
- 53. • Resistor R3 dan R4 menentukan besarnya level tegangan DC untuk masukan inverting rangkaian schmitt triggerblok A dan masukan non-inverting rangkaian integrator blok B. Resistor R1 menentukan besarnya tegangan gigi gergaji yang dikeluarkan oleh rangkaian integrator untuk tegangan masukan rangkaian schmitt trigger. • Besarnya tegangan referensi VDC menyebabkan tegangan umpan balik pada terminal inverting penguat operasional blok B mendekati sama dengan besarnya tegangan referensi VDC. Tegangan umpan balik pada terminal non-inverting rangkaian schmitt terigger blok A menyebabkan tegangan keluaran rangkaian schmitt trigger dalam kondisi level tinggi, yaitu dimulai dari 0V sampai mencapai nilai maksimum dari tegangan sumber tegangan VB.
- 54. • Dengan mengasumsikan bahwa tegangan pada terminal A non-inverting lebih kecil daripada tegangan referensi VDC, sehingga menyebabkan tegangan keluaran pada penguat operasional menjadi 0V (nol). Dengan tegangan Voa (t=0) sama dengan 0V.
- 55. • maka besarnya arus yang mengalir pada resistor R dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1) berikut:
- 56. • Arus DC konstan melalui resistor R menyebabkan arus pengisian melintas pada kapasitor naik secara kontinyu. Tegangan antara kapasitor C dengan polaritas seperti yang ditunjukkan pada skema rangkaianGambar 16 dapat dinyatakan dengan persamaan (2) berikut:
- 57. • Dimana VC-min merupakan nilai tegangan diantara kapasitor C dari proses pengisian operasi sebelumnya dan diasumsikan bahwa rangkaian dioperasikan untuk waktu pengisian yang panjang (lama). Dengan memberi tanda pada tegangan VC-min karena tegangan pengisian yang melintas pada kapasitor mengalami kenaikan selama proses pengisian.
- 58. • Proses pengisian akan naik secara kontinyu selama tegangan pada terminal non-inverting sedikit lebih besar daripada tegangan VDC di terminal inverting. Pada kondisi tertentu (sekejab), sehingga tegangan diantara kapasitor akan mencapai titik maksimum dan dengan demikian akan membuat tegangan keluaran pada penguat operasional blok B. Dengan mengasumsikan bahwa waktu yang diperlukan untuk mencapai tegangan diantara kapasitor mencapai nilai pada titik maksimum Tc.
- 59. • Dengan mengasumsikan bahwa waktu yang diambil oleh tegangan jatuh diantara kapasitor untuk mencapai nilai maksimum adalah TC, di mana C di bawah garis tegak untuk selama waktu pengisian.
- 60. • Tegangan pengaturanVa(t) = VDC pada saat nilai maksimal dari tegangan keluaran rangkaian integrator blok Bdapat dinyatakan dengan persamaan (3) berikut:
- 61. • Sehingga besarnya tegangan keluaran maksimum rangkaian integrator blok B dapat dinyatakan dengan persamaan (4) berikut:
- 62. • Dengan demikian nilai maksimum tegangan jatuh diantara kapasitor C dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan (5) berikut :
- 63. • Tegangan maksimum pada kapasitor tergantung oleh nilai elemen umpan balik dari resistorR1, R2 dan pengaturan level tegangan referensiVDColeh potensiometer R7. Berdasarkanpersamaan(2) dan dengan mengasumsikan bahwa pada saat kondisi t = TC dan v(TC) = VC,mak, maka besarnya tegangan pada kapasitor C dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (6) berikut:
- 64. • Dengan menggunakan persamaan (6) dapat dicari nilai tegangan minimum di antara kapasitor C.
- 65. • Setelah tegangan keluaran pada rangkaian integrator blok B mencapai nilai Vobmax, yang merupakan hasil diferensial dari tegangan keluaran rangkaian schmitt trigger blok A menjadi lebih besar dari nol, sehingga tegangan ini dapat digunakan untuk mengaktifkan keluaran rangkaian schmitt trigger blok A mencapai level tinggi. Di bawah kondisi ideal, tegangan keluaran tinggi dibatasi oleh tegangan VB. Namun dalam kondisi riil, tegangan keluaran selalu kurang dari VB akibat kondisi tegangan jatuh internal dari rangkaian penguat operasional itu sendiri.
- 66. • Secara analisis, kita asumsikan bahwa tegangan tinggi pada rangkaian blok A adalah sama dengan tegangan suplai VB. Permasalahan, bilamana tegangan tersebut kurang dari tegangan sumber dc akan dianalisa kemudian dengan bantuan sebuah contoh. Selama tegangan sumber VB lebih besar daripada VDC, maka arah arus balik melalui rangkaian integrator R dan C.
- 67. • Arah arus pada rangkaian integrator akan berbalik arah ketika kapasitor mulai mengosongkan muatan listrik dari nilai maksimum ke nilai minimum selama waktu TD detik. Sampai proses sinyal keluaran dari IC Integrator blok B mencapai nilai minimum Vobmin danmenyebabkan nilai diferensial tegangan pada terminal masukan membalik dan tegangan keluarannya menjadi nol lagi. Siklus dimulai lagi dari awal.
- 68. • Ekspresi tegangan keluaran minimum pada rangkaian blok B dapat dinyatakan dengan menggunakan persamaan (7) berikut:
- 69. • DimanaVoa,mak = VB untuk kondisi penguat operasional ideal. Untuk nilai tegangan VB kurang dari 1V atau 2V kurang praktiuntuk mencatu penguat operasionaal. Nilai mimimum tegangan keluaran penguat operasional blok B dapat dicari dengan menggunakan persamaan (8) berikut:
- 70. • Oleh karena nilai tegangan minimal dari kapasitor dengan polaritas seperti ditunjukkan pada skema rangkaian Gambar 16, sehingga nilai tegangan kapasitor minimum dapat dicari dengan menggunakan persamaan (9) berikut:
- 71. • Untuk mendapatkan arus pada saat waktu pengosongan TD. Selama siklus perioda pengosongan, maka besarnya arus yang melalui resistor R dapat dicari dengan persamaan (10) berikut:
- 72. menunjukkan sumber arus konstan lebih kecil dari nol karenaVDC < Voa-mak. Dengan demikian perubahan tegangan pengosongan kapasitor secara linier dapat dinyatakan dengan persamaan (11) berikut:
- 73. • Tegangan kapasitor ketika mencapai nilai minimum t TD besar. Jadi, nilai tegangan minimum dari kapasitor dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (12) berikut:
- 74. • Dengan demikian perbedaan perubahan tegangan diantara kapasitor dapat dicari dengan menggunakan persamaan (13) berikut:
- 75. Ringkasan • Dengan menggunakan persamaan (5) dan (9) untuk menentukan nilai VC-mak dan VC-min .Persamaan (6) dan (13) membantu untuk menentukan nilai waktu pengisian dan waktu pengosongan. Perioda waktu dan frekuensi dari gelombang segitiga adalah:
- 76. Contoh Perencanaan • Rangkaian PWM seperti diperlihatkan Gambar dibawah ini dioperasikan untuk sumber tegangan 12Vdc.
- 77. • Bila diketahui nilai dari komponen-komponen rangkaian sebagai berikut: Resistor R1 =33kΩ, R2 =100kΩ, R3 =20kΩ, R4 =10kΩ, R =10kΩ, dan kapasitor C=1μF. jika tegangan referensi VREF=4V, Tentukan : • (a) nilai-nilai maksimum dan minimum dari tegangan jatuh antara kapasitor, • (b) maksimum dan minimum nilai output tegangan, • (c)Waktu pengisian dan pengosongan, • (d) lama waktu (perioda) dan besarnya frekuensi, • (e) tegangan keluaran pada komparator C untuk kondisi waktu hidup dan mati C, dan • (f) duty cycle (rasio).
- 78. Penyelesaian: Pengaturan tegangan DC untuk Schmitt Trigger dan Integrator a) Besarnya tegangan jatuh diantara kapasitor, dari (5) dan (9), masing-masing didapatkan: Catatan: dengan asumsi bahwa VOa-mak = VB = 12V.
- 79. b) Tegangan keluaran maksimum dan minimum pada keluaran penguat operasional blok B adalah:
- 80. c)Waktu pengisian dan pengosongan berdasarkan persamaan (6) dan (12) adalah:
- 81. d) Perioda waktu dan frekuensi adalah:
- 82. e) Waktu hidup dan mati tegangan keluaran penguat operasional C adalah:
- 83. f) Duty cycle (ratio) adalah: