Rangkaian PWM Sebagai Kendali Motor DC Menggunakan 555

 

Gambar 1

Kecepatan putaran sebuah Motor Listrik DC tergantung arus yang melewatinya, dan besarnya arus yang digunakan oleh motor listrik DC dipengaruhi oleh besarnya tegangan yang diberikan kepada motor tersebut. Untuk beberapa keperluan, terkadang dibutuhkan kecepatan putaran motor yang berbeda-beda. Maka untuk mengatur kecepatan putaran sebuah motor listrik DC dapat dilakukan dengan mengatur besarnya tegangan yang diberikan kepadanya.

Jika untuk mengubah tegangan yang diberikan kepada sebuah motor DC digunakan sebuah resistor seri ataupun sebuah transistor secara langsung, maka komponen seri itu akan menyerap daya, dan hal itu menimbulkan rugi-rugi daya dan menurunkan tingkat efisiensi rangkaian.

Cara yang efekktif untuk mengendalikan putaran motor DC ialah menggunakan sistem saklar atau switching, seperti nampak pada Gambar 1 di atas. Gambar tersebut menjelaskan bahwa sebuah motor DC yang disuplai tegangan DC rata sebesar 6 Volt, daya ataupun kecepatan putaran motor akan setara dengan jika motor itu dihubungkan dengan sumber tegangan DC 12V tetapi dilewatkan sebuah transistor yang berfungsi sebagai saklar, yang dikendalikan oleh pulsa, dengan lebar pulsa yang sebanding antara posisi ON dengan OFF, atau dengan duty cycle sebesar 50%.

Mengapa bisa begitu?

Karena bagi motor DC itu, besarnya arus yang melewatinya akan ditentukan oleh tegangan rata-rata dari tegangan DC yang dikenakan kepadanya. Dengan duty cycle sebesar 50% itu, maka tegangan rata-rata yang berasal dari sumber DC 12 Volt akan sebesar setengahnya, yakni 6 Volt. Itulah sebabnya, putaran kedua motor tersebut akan sama, dan begitu juga dengan daya yang diserap dari catu daya.

Keuntungan dari pengatur tegangan sistem saklar ini adalah: kerugian daya pada transistor saklar sangat kecil, dikarenakan transistor ON dan OFF, atau berada pada kondisi SATURASI dan OFF saja. Dengan demikian praktis tidak ada rugi tegangan antara kaki Emitor-Kolektornya.

Maka,, untuk mendapatkan variasi tegangan yang berbeda-beda, agar dengan cara itu dapat digunakan untuk mengatur kecepatan putaran motor, dibutuhkan pulsa dengan Duty Cycle  yang dapat dirubah-rubah. Secara sederhana, duty cycle adalah perbandingan antara "waktu yang digunakan oleh transistor untuk ON" terhadap keseluruhan waktu untuk satu periode.

Berikut adalah rangkaian menggunakan IC 555 yang dapat menghasilkan pulsa-pulsa dengan duty cycle yang dapat diatur, yang kita sebut sebagai Pulse Width Modulator disingkat PWM.

IC 555 SEBAGAI RANGKAIAN MODULATOR LEBAR PULSA

Gambar 2: Output yang dihasilkan oleh rangkaian Modulator Lebar Pulsa

Salah satu aplikasi IC 555 adalah: dapat digunakan sebagai rangkaian modulator lebar pulsa. Outputnya dapat diatur untuk menghasilkan pulsa yang sempit, dengan duty cycle kurang dari 10%, hingga duty cycle yang lebar, dengan duty cycle hingga lebih dari 90%, seperti terlihat pada Gambar 2 di atas. Jika pulsa yang sempit digunakan untuk meng-ON-kan transistor, maka rangkaian akan menghasilkan tegangan output rata-rata yang kecil.

Gambar 3: Luas bidang yang diarsir adalah sama

Pada gambar 3, dengan pulsa sempit, maka waktu "ON" lebih kecil dari pada waktu "OFF". Perhatikan dua bidang yang diarsir untuk saat ON dan saat OFF. Luas keduanya sama. Maka, tegangan output rata-rata yang dihasilkan oleh rangkaian adalah kecil.

Sebaliknya, jika saat "ON" lebih lama dari pada "OFF", seperti gambar 4 berikut:

Gambar 4: Luas bidang yang diarsir adalah sama.

Pada gambar 4 terjadi sebaliknya. Dengan pulsa ON yang lebih lebar dari pada saat OFF, maka tegangan rata-rata yang dihasilkan oleh rangkaian menjadi tinggi.

Rangkaian Modulator Lebar Pulsa :

Gambar 5: Rangkaian Modulator Lebar Pulsa, menghasilkan pulsa positif sempit

Dari gambar 5, saklar SW 1 dapat diatur untuk posisi kontak ke atas dan kontak ke bawah. Dengan kedudukan seperti dalam gambar 5 itu, maka kaki 3 IC 555 akan menghasilkan pulsa positif sempit yang bentuk gelombangnya seperti gambar 3.

Sedangkan bila saklar diturunkan ke bawah, seperti rangkaian Gambar 6 berikut ini,

Gambar 6: Rangkaian Modulator Lebar Pulsa, menghasilkan pulsa positif lebar

Dengan kedudukan saklar SW1 seperti gambar 6 , maka output di kaki 3 menghasilkan pulsa positif yang lebih lebar.

Jika transistor saklar menggunakan jenis NPN, maka pulsa yang digunakan untuk membuat transistor tersebut ON adalah pulsa positif. Akan tetapi apabila saklar menggunakan jenis transistor PNP, maka pulsa positif justru akan membuat transistor PNP tersebut menjadi OFF. Dan transistor PNP itu akan ON dengan pulsa negatif.

Pada rangkaian berikut ini, kita akan menggunakan transistor jenis PNP yang akan ON justru dengan pulsa negatif, dan akan OFF oleh pulsa positif. Semoga hal ini tidak sulit untuk dipahami.

RANGKAIAN LENGKAP KENDALI MOTOR SISTEM PWM

Gambar 7: Rangkaian Kendali Motor DC sistem PWM

Kita perhatikan gambar 7. Output kaki 3 dari IC 555 digunakan untuk mendrive transistor PNP tipe TIP 42. Transistor ini akan ON pada saat pulsa NOL dan sebaliknya, transistor akan OFF jika pulsa dari 555 adalah HIGH. Dengan kedudukan saklar SW1 ke atas, maka 555 akkan menghasilkan pulsa positif yang sempit seperti gambar 3, atau seperti ini:

Perlu diingat, bahwa transistor PNP kan ON justru jika pulsa yang diterima oleh kaki Basis adalah negatif atau nol, maka dengan bentuk pulsa seperti itu, transistor PNP yang berfungsi sebagai saklar tersebut akan ON lebih lama. Maka tegangan DC output yang dihasilkan, yakni yang diukur oleh Voltmeter pada beban R5 (pengganti motor DC) akan tinggi, sekitar lebih dari 10 Volt, seperti berikut:

Gambar 8a : Hasil pengukuran pada posisi SW1 ke atas.

Gambar 8b : Detail tampilan Voltmeter yang mengukur tegangan output untuk kedudukan SW1 ke atas

Dengan demikian, pada kedudukan saklar SW1 ke atas itu, rangkaian akan menghasilkan tegangan DC rata-rata sebesar +10,4 Volt sebagaimana ditunjukkan oleh gambar 8b.

Berikutnya, jika saklar SW1 dalam posisi ke bawah, sebagai berikut:

Gambar 9: Saklar SW1 dalam posisi ke bawah.

Jika saklar SW1 diposisikan ke bawah, maka IC 555 akan menghasilkan pulsa positif lebih lebar dan pulsa negatif lebih sempit, seperti gambar 4, atau seperti berikut:

Karena transistor saklarnya adalah PNP yang akan ON dengan pulsa negatif, maka dengan pulsa tersebut, transistor akan ON oleh pulsa yang lebih sempit, dan sebaliknya dia akan OFF lebih lama. Dengan demikian, maka tegangan output DC rata-rata yang dihasilkan oleh rangkaian akan kecil. Berikut hasil pengukurannya:

Gambar 10a : Hasil pengukuran pada posisi SW1 ke bawah

Gambar 10b : Detail tampilan Voltmeter yang mengukur tegangan output untuk kedudukan SW1 ke bawah.

Terlihat bahwa dengan kedudukan saklar SW1 ke bawah itu, voltmeter menunjukkan nilai tegangan hanya sebesar +0,44 Volt, atau kurang dari 1 Volt.

Resistor R5 yang nilainya sebesar 10 Ohm dalam hal ini berfungsi sebagai beban, menggantikan kedudukan motor listrik DC.

INDUKTOR L SEBAGAI PENYIMPAN ARUS

Lantas apa peranan induktor L pada rangkaian kendali motor sistem PWM ini? Kumparan L yang dihubungkan ke kolektor transistor PNP dalam hal ini berfungsi sebagai penyimpan arus. Potongan rangkaian sebagai berikut:

Gambar 11a : Saat transistor PNP menjadi ON oleh pulsa negatif pada basis.

Pada gambar 11a, transistor PNP tersebut ON karena adanya pulsa negatif di kaki Basis. Di bawah kondisi ini, maka kaki Emitor-Kolektor dianggap hubung singkat, karena transistor jenuh atau saturasi. Maka tegangan di kolektor sama dengan tegangan sumber = 12 V. Sementara tegangan pada beban R4 terukur sebesar 10 Volt, maka di kaki-kaki kumparan terdapat tegangan sebesar 2 Volt, dengan positif di sebelah kiri, dan negatif di sebelah kanan. Dan untuk sementara kumparan menampung tegangan selisih antara tegangan kolektor transistor dengan tegangan beban R4. Kita dapat membayangkan bagaimana kumparan ini berlaku seperti sebuah pegas atau per, yang ditekan dengan ketegangan tertentu, yang sewaktu-waktu apabila tegangan itu lepas atau pergi, maka selayaknya pegas dia akan mental ke arah yang sebaliknya. Sementara itu, dengan arah pemasangan diode D3 yang terbalik, yakni dengan posisi anoda di Ground dan Katoda di atas, maka saat ini D3 tidak menghantar atau OFF.

Di saat berikutnya, kaki basis transistor menerima pulsa positif sbb:

Gambar 11b : Saat transistor PNP menjadi OFF oleh pulsa positif pada kaki Basis.

Ketika kaki Basis transistor menerima tegangan pulsa positif, maka sebagai transistor PNP, pulsa positif ini akan membuat transistor tersebut menjadi OFF atau tidak menghantarkan arus. Maka yang terjadi pada kumparan adalah: tegangan atau arus yang melewatinya mendadak terhenti atau menghilang. Dan sesuai dengan sifat kumparan yang akan menghasilkan tegangan induksi apabila di dalamnya terjadi perubahan arus, maka terhentinya tegangan atau arus pada kumparan menyebabkan terbangkitnya ggl induksi yang polaritas tegangannya melawan tegangan yang sebelumnya diberikan, dan arusnya mengalir dalam arah yang melawan arus yang diberikan sebelumnya.

Di ujung kiri kumparan terjangkit tegangan negatif, dan di sisi kanannya positif, maka volmeter yang mengukur tegangan kumparan ini akan mengukur tegangan negatif, sekitar -2 Volt atau bisa lebih.

Pada saat ini, dioda D3 mendapat tegangan negatif dari kumparan, dan membuatnya ON. Kumparan mengeluarkan arus yang tadi dia simpan ketika transistor ON. Jadi? Pada waktu transistor ON, kumparan menyimpan arus. Lalu pada saat transistor OFF, kumparan mengeluarkan arus yang disimpannya itu, lalu membarikannya kepada beban R4 dan juga mengisi kapasitor C3.

Demikianlah,
Pada saat transistor ON, arus kolektornya mengisi muatan C3 melalui kumparan , dimana kumparan menampung sisa tegangan dan menampung arus untuk sementara.
Dan pada saat transistor OFF, kumparan mengeluarkan simpanan tegangan dan simpanan arus, lalu memberikannya kepada kapasitor C3 sehingga kapasitor ini juga terisi muatan di saat transistor sedang OFF.

Jika transistor ON semakin lama oleh pulsa yang lebar yang membuatnya ON, maka arus kolektor semakin lama mengisi muatan C3, dan begitu juga kumparan semakin banyak menyimpan arus dan tegangan. Sebagai akibatnya, tegangan output rangkaian menjadi semakin besar.

Sebaliknya, apabila transistor OFF hanya sebentar, karena pulsa yang membuatnya ON hanya merupakan pulsa yang sempit, maka arus kolektor transistor hanya sebentar mengisi muatan C3, dan begitu juga kumparan hanya menerima sedikit "titipan" arus dan tegangan. Maka sebagai akibatnya, tegangan output rangkaian menjadi kecil.

Untuk membuat rangkaian yang variabel, maka saklar SW1 dan resistor R3 diganti dengan sebuah resistor variabel, atau potensiometer.