Unit Iii Pulse Width Modulator

UNIT III PULSE WIDTH MODULATOR 3.1 TUJUAN PRAKTIKUM 1. Praktikan mampu menerapkan modulasi lebar pulsa dengan IC uA741 2. Praktikan mampu menerapkan modulasi lebar pulsa dengan IC LM555 3. Praktikan mengetahui karakteristik dan rangkaian dasar uA741 dan LM555 4. Praktikan mampu mengukur dan menganalisis rangkaian PWM

3.2 DASAR TEORI Salah satu cara untuk mengirimkan informasi analog adalah dengan menggunakan pulsa-pulsa tegangan atau pulsa-pulsa arus. Dengan modulasi pulsa, sinyal informasi diubah menjadi pulsa-pulsa persegi dengan frekuensi dan amplitude tetap, tapi dengan lebar pulsa sebanding dengan amplitude sinyal informasi. Salah satu teknik modulasi pulsa yang digunakan adalah teknik modulasi durasi atau lebar dari waktu tunda positif ataupun waktu tunda negatif pulsa-pulsa persegi tersebut. Metode tersebut dikenal dengan nama Pulse Width Modulation (PWM).

Pulse Width Modulation (PWM) dapat juga dikatakan sebagai cara memanipulasi lebar sinyal atau tegangan yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, yang akan digunakan untuk mentransfer data pada telekomunikasi ataupun mengatur tegangan sumber yang konstan untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Penggunaan PWM sangat banyak, mulai dari pemodulasian

data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya. PWM saat ini juga telah menjadi dasar dari pembuatan jam digital. Untuk

membangkitkan

sinyal

PWM,

digunakan

komparator

untuk

membandingkan dua buah masukan yaitu generator sinyal dan sinyal referensi. Hasil keluaran dari komparator adalah sinyal PWM yang berupa pulsa-pulsa persegi yang berulang-ulang. Durasi atau lebar pulsa dapat dimodulasi dengan cara mengubah sinyal referensi.

Sinyal PWM Informasi yang dibawa oleh pulsa-pulsa persegi merupakan tegangan ratarata. Besarnya tegangan rata-rata tersebut dapat diperoleh dari : Vout = (Vref * duty cycle) / periode Secara garis besar, PWM merupakan penerapan dari konsep rangkaian sekuensial flip – flop dan timer sebagai clock. Rangkaian flip-flop mempunyai sifat sekuensial karena sistem kerjanya diatur dengan jam atau pulsa, yaitu sistem-sistem tersebut bekerja secara sinkron dengan deretan pulsa berperiode T yang disebut jam sistem (System Clock).

Luasan tiap segmen dapat dihitung dengan menggunakan integral:

Jika Pulsa PWM mempunyai tinggi sebesar E, maka lebar pulsa ke i dapat dihitung berdasarkanluasan Li, dengan lebar sebesar:

LUASAN SEGMEN GELOMBANG SINUS

LUASAN PULSA PWMnya

uA741

Pada rangkaian pulse width modulator, op-amp uA741 berfungsi sebagai komparator. PWM akan membangkitkan gelombang kotak dengan lebar pulsa keluarannya dipengaruhi nilai R2,C2, dan Vin(+).Tegangan referensi ditentukan oleh nilai tahanan R1 dan VR1. Kombinasi R2,C2 digunakan sebagai fungsi pengisian (charging) dan pengosongan (discharging). KEtika tidak ada gelombang audio maka tegangan referensi DC pada Vin(+) dapat diganti dengan mengatur nilai VR1, jika nilai DC level dari Vin(+) tetap dan gelombang audio diterapkan pada masukan audio, gelombang audio ditambahkan pada DC level tetap dan tegangan referensi akan diganti dengan ampitudo gelombang audio

KONFIGURASI IC DAN DIAGRAM SKEMATIK 741

Konfigurasi pin IC

DIAGRAM SKEMATIK LM555 IC timer 555 ini sudah lama dikenal dan masih populer sampai saat ini sejak puluhan tahun yang lalu. Tepatnya IC 555 pertama kali dibuat oleh Signetics Corporation pada tahun 1971. IC timer 555 memberi solusi praktis dan relatif murah untuk berbagai aplikasi elektronik yang berkenaan dengan pewaktuan (timing). Terutama dua aplikasinya yang paling populer adalah rangkaian pewaktu monostable dan osilator astable. Jeroan utama komponen ini terdiri dari komparator dan flip-flop yang direalisasikan dengan banyak transistor.

Gambar 1 : IC Timer 555 Dari dulu hingga sekarang, prinsip kerja komponen jenis ini tidak berubah namun masing-masing pabrikan membuatnya dengan desain IC dan teknologi yang berbeda-beda. Hampir semua pabrikan membuat komponen jenis ini, walaupun dengan nama yang berbeda-beda. Misalnya National Semiconductor menyebutnya dengan LM555, Philips dan Texas Instrument menamakannya SE/NE555. Motorola /ON-Semi mendesainnya dengan transistor CMOS sehingga komsusi powernya cukup kecil dan menamakannya MC1455. Philips dan Maxim membuat versi CMOS nya dengan nama ICM7555. Walaupun namanya berbeda-beda, tetapi fungsi dan pin diagramnya saling kompatibel satu dengan yang lainnya (functional and pin-to pin compatible). Hanya saja ada beberapa karakteristik spesifik yang berbeda

misalnya konsumsi daya, frekuensi maksimum dan sebagainya. Spesifikasi lebih detail biasanya dicantumkan pada datasheet masing-masing pabrikan. Dulu pertama kali casing dibuat dengan 8 pin T-package (tabular dari kaleng mirip transistor), namun sekarang lebih umum dengan kemasan IC DIP 8 pin.

Rangkaian Monostable IC ini didesain sedemikian rupa sehingga hanya memerlukan sedikit komponen luar untuk bekerja. Diantaranya yang utama adalah resistor dan kapasitor luar (eksternal). IC ini memang bekerja dengan memanfaatkan prinsip pengisian (charging) dan pengosongan (discharging) dari kapasitor melalui resistor luar tersebut. Untuk menjelaskan prinsip kerjanya, coba perhatikan diagram gambar IC 555 dengan resistor dan kapasitor luar berikut ini. Rangkaian ini tidak lain adalah sebuah rangkaian pewaktu (timer) monostable. Prinsipnya rangkaian ini akan menghasilkan pulsa tunggal dengan lama tertentu pada keluaran pin 3, jika pin 2 dari komponen ini dipicu. Perhatikan di dalam IC ini ada dua komparator yaitu Comp A dan Comp B. Perhatikan juga di dalam IC ini ada 3 resistor internal R yang besarnya sama. Dengan susunan seri yang demikian terhadap VCC dan GND, rangkaian resistor internal ini merupakan pembagi tegangan. Susunan ini memberikan tegangan referensi yang masing-masing besarnya 2/3 VCC pada input negatif komparator A dan 1/3 VCC pada input positif komparator B.

Gambar 2 : Rangkaian pewaktu monostable Pada keadaan tanpa input, keluaran pin 3 adalah 0 (ground atau normally low). Transistor Q1 yang ada di dalam IC ini selalu ON dan mencegah kapasitor eksternal C dari proses pengisisian (charging). Ketika ada sinyal trigger dari 1 ke 0 (VCC to GND) yang diumpankan ke pin 2 dan lebih kecil dari 1/3 VCC, maka serta merta komparator B men-set keluaran flip-flop. Ini pada gilirannya memicu transistor Q1 menjadi OFF. Jika transistor Q1 OFF akan membuka jalan bagi resistor eksternal R untuk mulai mengisi kapasitor C (charging). Pada saat yang sama output dari pin 3 menjadi high (VCC), dan terus high sampai satu saat tertentu yang diinginkan. Sebut saja lamanya adalah t detik, yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor C mencapai tegangan 2/3 VCC. Tegangan C ini disambungkan ke pin 6 yang tidak lain merupakan input positif comp A. Maka jika tegangan 2/3 VCC ini tercapai, komparator A akan men-reset flip-flop dan serta merta transistor internal Q1 menjadi ON kembali. Pada saat yang sama keluaran pin 3 dari IC 555 tersebut kembali menjadi 0 (GND). Berapa lama pulsa yang dihasilkan amat tergantung dari

nilai

resitor

dan

kapasitor

eksternalyang

pasangkan.

Dari

rumus

ekponensialpengisian kapasitor diketahui bahwa : Vt = VCC(1- e-t/RC) ….. (1)

Vt adalah tegangan pada saat waktu t. Jika t adalah waktu eksponensial yang diperlukan untuk mengisi kapasitor sampai Vt = 2/3 VCC, maka rumus (1) dapat disubstitusi dengan nilai ini menjadi :

2/3 = 1-e-t/RC 1/3 = e-t/RC ln(1/3) = -t/RC dan seterusnya dapat diperoleh t = (1.0986123)RC yang dibulatkan menjadi

t = 1.1 RC

Inilah rumusan untuk mengitung lamanya keluaran pulsa tunggal yang dapat dihasilkan dengan rangkaian monostable dari IC 555.

Rangkaian Astable Sedikit berdeda dengan rangkaian monostable, rangkaian astable dibuat dengan mengubah susunan resistor dan kapasitor luar pada IC 555 seperti gambar berikut. Ada dua buah resistor Ra dan Rb serta satu kapasitor eksternal C yang diperlukan. Prinsipnya rangkaian astable dibuat agar memicu dirinya sendiri berulang-ulang sehingga rangkaian ini dapat menghasilkan sinyal osilasi pada keluarannya. Pada saat power supply rangkaian ini di hidupkan, kapasitor C mulai terisi melalui resistor Ra dan Rb sampai mencapai tegangan 2/3 VCC. Pada saat tegangan ini tercapai, dapat dimengerti komparator A dari IC 555 mulai bekerja mereset flip-flop dan seterusnya membuat transistor Q1 ON. Ketika transisor ON, resitor Rb seolah dihubung singkat ke ground sehingga kapasitor C membuang muatannya (discharging) melalui resistor Rb. Pada saat ini keluaran pin 3 menjadi 0 (GND). Ketika discharging, tegangan pada pin 2 terus turun sampai mencapai 1/3 VCC. Ketika tegangan ini tercapai, bisa dipahami giliran komparator B yang bekerja

dan kembali memicu transistor Q1 menjadi OFF. Ini menyebabkan keluaran pin 3 kembali menjadi high (VCC). Demikian seterusnya berulang-ulang sehingga terbentuk sinyal osilasi pada keluaran pin3. Terlihat di sini sinyalpemicu (trigger) kedua komparator tersebut bekerja bergantian pada tegangan antara 1/3 VCC dan 2/3 VCC. Inilah batasan untuk mengetahui lebar pulsa dan periode osilasi yang dihasilkan. Misal diasumsikan t1 adalah waktu proses pengisian kapasitor yang di isi melalui resistor Ra dan Rb dari 1/3 VCC sampai 2/3 VCC. Diasumsikan juga t2 adalah waktu discharging kapasitor melalui resistor Rb dari tegangan 2/3 VCC menjadi 1/3 VCC. Dengan perhitungan eksponensial dengan batasan 1/3 VCC dan 2/3 VCC maka dapat diperoleh :

t1 = ln(2) (Ra+Rb)C = 0.693 (Ra+Rb)C

dan

t2 = ln(2) RbC = 0.693 RbC

Gambar 3 : Rangkaian osilator astable

Periode osilator adalah dapat diketahui dengan menghitung T = t1 + t2. Persentase duty cycle dari sinyal osilasi yang dihasilkan dihitung dari rumus t1/T. Jadi jika diinginkan duty cycle osilator sebesar (mendekati) 50%, maka dapat digunakan resistor Ra yang relatif jauh lebih kecil dari resistorRb. Satu hal yang menarik dari komponen IC 555, baik timer aplikasi rangkaian monostable maupun frekuensi osilasi dari rangkaian astable tidak tergantung dari berapa nilai tegangan kerja VCC yang diberikan. Tegangan kerja IC 555 bisa bervariasi antara 5 sampai 15 Vdc. Tingkat keakuratan waktu (timing) yang dihasilkan tergantung dari nilai dan toleransi dari resistor dan kapasitor eksternal yang digunakan. Untuk rangkaian yang tergolong time critical, biasanya digunakan kapasitor dan resistor yang presisi dengan toleransi yang kecil. Pada banyak nota aplikasi, biasanya juga ditambahkan kapasitor 10 nF pada pin 5 ke ground untuk menjamin kestabilan tegangan referensi

2/3 VCC. Banyak aplikasi lain yang bisa dibuat dngan IC 555, salah satu aplikasi yang populer lainnya adalah rangkaian PWM (Pulse Width Modulation). Rangkaian PWM mudah direalisasikan dengan sedikit mengubah fungsi dari rangkaian pewaktu monostable. Yaitu dengan memicu pin trigger (pin 2) secara kontiniu sesuai dengan perioda clock yang diinginkan, sedangkan lebar pulsa dapat diatur dengan memberikan tegangan variabel pada pin control voltage (pin5). Di pasaran banyak juga jumpai dua timer 555 yang dikemas didalam satu IC misalnya IC LM556 atau MC1456

Keterangan tiap pin IC:

Pin

Nama

Kegunaan

1

GND

Ground, level rendah (0 V)

2

TRIG OUT

Pemicu masukan dari luar lebih kecil dari 1/3 VCC.

3

OUT

Output 0,5 V dibawah +VCC atau 0,1 V diatas GND.

4

RESET

Reset atau untuk menolak masukan pemicu (dihubungkan GND jika digunakan jika tidak, dihubungkan ke +VCC).

5

CTRL

"Control" pengendali tegangan internal (2/3 VCC).

6

THR

Ambang.

7

DIS

Discharge atau tempat pengosongan kapasitor.

8

V+, VCC

Tegangan sumber biasanya antara 3 sampai 15 V.

3.3 ALAT DAN BAHAN A. Modul KL-92001 B Modul KL-94002 C Osiloskop

3.4 LANGKAH KERJA PERCOBAAN A. Pulse Width Modulator dengan uA741 1. Menempatkan rangkaian LM741 modulator PWM pada modul KL-94002. 2. Mengatur VR1 untuk memperoleh tegangan pada 0v pada Vin(+) terminal masukan kemudian menghubungkan J1 dengan jumper. 3. Menghubungkan gelombang sinus sebesar 4Vp-p dan 500Hz sebagai masukan audio. 4. Mengamati bentuk gelombang masukan dan keluaran audio (pin 6) menggunakan osiloskop kemudian mencatat hasilnya pada tabel. 5. Lepaskan penghubung pada J1 dan masukan gelombang audio. Kemudian atur VR1 untukmemperoleh tegangan 6 V pada Vin terminal masukan. 6. Menghubungkan kembali J1 dan masukan gelombang audio. 7. Mengamati bentuk gelombang masukan dan keluaran audio (pin 6) menggunakan osiloskop kemudian mencatat hasilnya pada tabel. 8. Lepaskan penghubung pada J1 dan masukan gelombang audio. Kemudian atur VR1 untukmemperoleh tegangan -6 V pada Vin terminal masukan. 9. Menghubungkan kembali J1 dan masukan gelombang audio. 10. Mengamati bentuk gelombang masukan dan keluaran audio (pin 6) menggunakan osiloskop kemudian mencatat hasilnya pada tabel. 11. Lepaskan penghubung pada J1 dan masukan gelombang audio. Kemudian atur VR1 untukmemperoleh tegangan 0 V pada Vin terminal masukan. 12. Menghubungkan kembali J1 dan masukan gelombang audio. 13. Mengubah amplitude gelombang audio menjadi 10 Vp-p dan mengulangi langkah nomor 4 s/d 12.

B. Pulse Width Modulator dengan LM555 1. Menempatkan rangkaian LM555 modulator PWM pada modul KL-94002. 2. Menghubungkan gelombang kotak sebesar 4Vp-p dan 500Hz sebagai masukan audio. 3. Mengamati T1 sebagai test point dan bentuk gelombang keluarannya menggunakan osiloskop, kemudian aturlah VR1 sehingga duty cycle gelombang kotak pada T1 tidak sama dengan 50%. 4. Mengamati dan mencatat hasil keluaran rangkaian saat mode coupling osiloskop berada pada posisi DC. 5. Mengulangi langkah 4 untuk gelombang masukan berupa gelombang segitiga. 6. Mengulangi langkah 4 untuk gelombang masukan berupa gelombang sinus. 7. Mengulangi langkah 4 s/d 6 untuk gelombang input 3 Vp-p 500Hz.