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 :
sumber :