Post on 16-Oct-2021
PENGENDALI SUHU AIR DENGAN KENDALI
PROPORSIONAL
TUGAS AKHIR
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat
Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Oleh:
Nama : Mikael Dhanny Trisylatama
NIM : 025114016
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2007
i
WATER TEMPERATURE CONTROL USING
PROPORTIONAL CONTROLLER
FINAL PROJECT
Presented as Partial Fulfillment of the Requirements
To Obtain the Sarjana Teknik Degree
In Electrical Engineering Study Program
By:
Name : Mikael Dhanny Trisylatama
Student Number : 025114016
ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2007
ii
iii
iv
HALAMAN PERSEMBAHAN
Karya sederhana ini kupersembahkan kepada :
Tuhan Yesus Kristus yang selalu menuntunku,
membimbingku, memberkatiku, dan menjagaku
Bapak dan Ibu yang telah memberikan semangat, doa, serta dukungan secara
moril maupun materiil.
Kakak-kakakku Herry dan Liza, adikku Fika kukasihi
Inna yang telah menjadi sahabatku suka dan duka.
Almamaterku Teknik Elektro, Teman-teman seperjuangan angkatan 2002.
v
MOTTO
Segala sesuatu yang dijumpai tanganmu untuk dikerjakan,
Kerjakanlah itu sekuat tenaga,
Karena tak ada pekerjaan, pertimbangan,
Pengetahuan dan hikmat dalam dunia orang mati,
Kemana engkau akan pergi
(Pengkotbah, 9:10)
Kita tahu sekarang, bahwa Allah turut bekerja
dalam segala sesuatu untuk mendatangkan kebaikan
bagi mereka yang mengasihi Dia,
Yaitu bagi mereka yang terpanggil sesuai dengan rencana Allah
(Roma, 8:28)
Serahkanlah perbuatanmu kepada TUHAN,
Maka terlaksanalah segala rencanamu
(Amsal, 16:3)
vi
HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini
tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan
dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.
Yogyakarta, ................................
Mikael Dhanny Trisylatama
vii
INTISARI
Tugas akhir ini mendeskripsikan tentang Pengendali Suhu Air dengan Kendali Proporsional yang menggunakan aktuator berupa heater atau pemanas air untuk memperoleh keadaan suhu air yang stabil. Pengendali Suhu Air dengan Kendali Proporsional diimplementasikan dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols. Masukan dari pengendali proporsional adalah selisih tegangan antara set point dengan feedback (sensor). Selisih tegangan tersebut digunakan untuk mengendalikan heater. Pada implementasi, terdapat 3 nilai level tegangan (set point) dengan besar tegangan yang berbeda-beda, yaitu tegangan 0,5 Volt menyatakan kondisi suhu saat 50oC, tegangan 0,7 Volt menyatakan kondisi suhu saat 70oC, dan tegangan 0,9 Volt menyatakan kondisi suhu saat 90oC. Pemilihan set point dilakukan dengan menekan tombol pemilih.
Pengendali Suhu Air dengan Kendali Proporsional telah berhasil diimplementasikan dan diuji. Hasil yang diperoleh dalam pengujian adalah keadaan suhu yang sesuai dengan yang diinginkan pada set point. Kata kunci : suhu air, kendali proporsional, Ziegler-Nichols.
viii
ABSTRACT
This final project describes about Water Temperature Control Using Proportional Controller. It’s using a heater as actuator to get stable temperature.
Water Temperature Control Using Proportional Controller is applied using Ziegler-Nichols method. The input from proportional controller is a voltage difference between set point and feedback (sencor). This voltage difference is used to control the heater. In implementation, there are 3 set points of voltage difference which are 0.5V to represent the condition of temperature of 50oC, 0.7V to represent the condition of temperature of 70oC, and 0.9V to represent the condition of temperature of 90oC. The selection of voltage level is done by pressing the selection button.
Water Temperature Control Using Proportional Controller successfully implemented and tested. The test result is the temperature condition that match the set point. Key words: water temperature, proportional method, Ziegler-Nichols.
ix
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Yesus Kristus atas segala kasih, rahmat, lindungan,
bimbingan, dan karunia-Nya yang telah diberikan kepada penulis sehingga dapat
menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dan lancar.
Dalam proses penulisan tugas akhir ini penulis menyadari bahwa ada begitu
banyak pihak yang telah memberikan perhatian dan bantuan dengan caranya masing-
masing sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin
mengucapkan terima kasih antara lain kepada :
1. Yesus Kristus atas kasih, rahmat, lindungan, dan karunia-Nya kepada penulis
hingga penulis dapat merasakan kasih-Nya.
2. Ir. Greg. Heliarko, S.J., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc., selaku dekan fakultas sains
dan teknologi.
3. Ibu Bernadeta Wuri Harini, S.T., M.T., selaku pembimbing I atas ide-ide yang
berguna, bimbingan, dukungan, saran dan kesabaran bagi penulis dari awal
sampai tugas akhir ini bisa selesai.
4. Bapak Ir. Tjendro, selaku pembimbing II yang telah bersedia meluangkan waktu
serta memberikan bimbingan dan saran yang tentunya sangat berguna untuk
tugas akhir ini.
5. Bapak Petrus Setyo Prabowo, S.T., M.T., dan Bapak Ir. Iswanjono, M.T., selaku
penguji yang telah bersedia memberikan kritik dan saran.
x
6. Seluruh dosen teknik elektro atas ilmu yang telah diberikan selama penulis
menimba ilmu di Universitas Sanata Dharma.
7. Mas Broto dan Mas Mardi, selaku laboran yang telah mengizinkan membuka Lab
sewaktu-waktu jika diperlukan untuk mengambil data.
8. Bapak dan Ibuku tercinta, semangat, doa serta dukungan secara moril maupun
materiil.
9. Kedua kakakku, Herry dan Liza serta adikku Fika. Makasih atas dukunganya ya!
semoga persaudaraan kita tetap rukun selalu.
10. Maria Inna. Makasih atas kesabaranmu yang selalu menemaniku dalam suka dan
duka. Kamu selalu memberikan aku support, perhatian dan persahabatan.
11. Keluarga besar di Gombong. Nenek, Kakek, Om dan Tante semua yang sudah
memberikan semangat, doa sehingga aku bisa menyelesaikan skripsi ini.
12. Teman-teman seperjuangan. Andi(Andex), Adi(Plentonk), Clement, Deri, P.
Dani(Lele), Ido, Hari, Robby, Wawan(Tikus), Yoga, Lina, Oscar serta teman-
teman angkatan 2002.
13. Anak-anak kost Wisma Goreti. Tita, Shinta, Clare, Vivin, Spadic, Friska makasih
ya semuannya.
14. Dan seluruh pihak yang telah ambil bagian dalam proses penulisan tugas akhir ini
yang terlalu banyak jika disebutkan satu-persatu.
Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari
sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini
xi
sangat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua
pihak. Terima kasih.
Yogyakarta, ................................
Penulis
xii
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL………………………………………………………….….i
HALAMAN PERSETUJUAN………………………………………………....iii
HALAMAN PENGESAHAN………………………………………………......iv
HALAMAN PERSEMBAHAN……………………………………….……......v
HALAMAN MOTTO………………………………………………………......vi
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA…………………………….................vii
INTISARI.……………………………………………………………………..viii
ABSTRACT…………………………………………………………...………...ix
KATA PENGANTAR……………………………………………….………….x
DAFTAR ISI………………………………………………………….……….xiii
DAFTAR GAMBAR……………………………………………….……….....xv
DAFTAR TABEL……………………………………………………….........xvii
BAB I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah………………………………….……1
1.2. Batasan Masalah…………………………………………….…2
1.3. Tujuan Penelitian…………………………………..………......2
1.4. Manfaat Penelitian……………………………………..............3
1.5. Metodologi Penelitian………………………………….….…..3
1.6. Sistematika Penulisan………………………………….....…....3
BAB II. DASAR TEORI
2.1. Sistem Kendali………………………………….……...............5
2.2. Kendali Proporsional………………………………..….……...6
2.3. Metode Ziegler-Nichols...……………………………….……..9
2.4. Penguat Membalik (Inverting Amplifier) ………………….....12
2.5. Plant…………………………………………..........................13
xiii
2.6. Sensor Suhu………………………………….…….................14
2.7. Penguat Tak Membalik (Non Inverting Amplifier) ……….….15
2.8. Penguat Beda………………………………….……...............17
2.9. Set point………………………………….…….......................20
2.9.1. Pembagi Tegangan………………………....…...….....20
2.9.2. Buffer Tegangan……………………………...……....20
2.10. Optoisolator………………………………….…….................21
2.11. Triac………………………………….…….............................22
2.12. PWM (Pulse Width Modulation) …………………………….23
2.13. Tanggapan Sistem ……………………………………..……..24
BAB III. PERANCANGAN
3.1. Plant………………………………….……............................26
3.2. Sensor Suhu………………………………….…….................29
3.3. Penguat tegangan………………………………….…….........29
3.4. Set Point………………………………….……......................31
3.5. Penguat Beda………………………………….……...............31
3.6. Pengendali Proporsional………………………………….…..33
3.7. Driver………………………………….……..........................35
BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Pengamatan Plant ...................................................................37
4.1.1. Pengamatan Plant untuk Set Point 50oC.....................38
4.1.2. Pengamatan Plant untuk Set Point 70oC……….........41
4.1.3. Pengamatan Plant untuk Set Point 90oC.....................45
BAB V. PENUTUP
5.1. Kesimpulan..............................................................................50
5.2. Saran........................................................................................50
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xiv
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Blok diagram sistem kontrol kalang tertutup................................6
Gambar 2.2 Diagram blok pengendali proporsional.........................................7
Gambar 2.3 Proportional band dari pengendali proporsional tergantung
pada penguatan.............................................................................8
Gambar 2.4 Rangkaian proporsional................................................................9
Gambar 2.5 Kurva respon tangga satuan yang memperlihatkan
25% lonjakan maksimum...........................................................10
Gambar 2.6 Respon tangga satuan sistem......................................................10
Gambar 2.7 Kurva respon berbentuk S..........................................................11
Gambar 2.8 Inverting Amplifier.....................................................................12
Gambar 2.9 Heater.........................................................................................13
Gambar 2.10 IC LM35.....................................................................................15
Gambar 2.11 Non Inverting Amplifier.............................................................16
Gambar 2.12.a Penguat beda............................................................................17
Gambar 2.12.b Penguat beda............................................................................18
Gambar 2.12.c Penguat beda............................................................................19
Gambar 2.13 Rangkaian pembagi tegangan.....................................................20
Gambar 2.14 Konfigurasi buffer tegangan.......................................................21
Gambar 2.15 Skematik optoisolator................................................................21
Gambar 2.16.a Simbol.....................................................................................22
xv
Gambar 2.16.b Rangkaian ekivalen................................................................22
Gambar 2.17 Kurva karakteristik triac............................................................23
Gambar 2.18 Rangkaian PWM analog ..........................................................24
Gambar 2.19 Bentuk pulsa PWM...................................................................24
Gambar 3.1 Perangkat keras (hardware)......................................................26
Gambar 3.2 Plant.........................................................................................27
Gambar 3.3 Kurva reaksi data plant............................................................28
Gambar 3.4 Sensor.......................................................................................29
Gambar 3.5 Penguat tegangan menggunakan potensiometer......................30
Gambar 3.6 Rangkaian set point.................................................................31
Gambar 3.7 Rangkaian penguat beda..........................................................32
Gambar 3.8 Rangkaian proporsional...........................................................35
Gambar 3.9 Rangkaian pembangkit pulsa...................................................35
Gambar 3.10 Driver.......................................................................................36
Gambar 4.1 Perangkat keras (hardware).....................................................38
Gambar 4.2 Grafik plant untuk set point 50oC............................................40
Gambar 4.3 Grafik tegangan heater untuk set point 50oC…..……….…...40
Gambar 4.4 Grafik plant untuk set point 70oC...........................................43
Gambar 4.5 Grafik tegangan heater untuk set point 70o.……………...…44
Gambar 4.6 Grafik plant untuk set point 90oC...........................................47
Gambar 4.7 Grafik tegangan heater untuk set point 90oC…...………..…48
xvi
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Tabel penalaan parameter PID dengan metode kurva reaksi...............12
Tabel 3.1 Pengamatan keluaran plant..................................................................28
Tabel 3.2 Perhitungan keluaran penguat tegangan..............................................30
Tabel 3.3 Perhitungan nilai R1............................................................................31
Tabel 4.1 Pengamatan plant untuk set point 50oC..............................................39
Tabel 4.2 Pengamatan plant untuk set point 70oC..............................................42
Tabel 4.3 Pengamatan plant untuk set point 90oC .............................................46
xvii
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Keberadaan pengendali dalam sebuah sistem kendali mempunyai pengaruh
yang besar terhadap perilaku sistem. Dengan berkembangnya teknologi elektronika,
pengendali manual digantikan dengan pengendali otomatis. Kendali otomatis telah
memegang peranan penting dalam perkembangan ilmu dan teknologi karena kendali
otomatis memberikan kemudahan dalam mendapatkan performansi, mempertinggi
kualitas dan menurunkan biaya produksi, mempertinggi laju produksi, serta
meniadakan pekerjaan-pekerjaan rutin dan membosankan yang harus dilakukan
manusia[1].
Berdasarkan pernyataan di atas, penulis menerapkan sistem kendali otomatis
ke dalam pemanas air atau heater yang sebelumnya menggunakan sistem kendali
manual. Pemanas air atau heater diharapkan dapat menentukan suhu sesuai keinginan
pengguna secara otomatis. Dalam penerapan alat tersebut, penulis menggunakan
penalaan parameter pengendali P (Proporsional) sebagai pengendalinya[2]. Penalaan
parameter pengendali P didasari atas tinjauan terhadap karakteristik plant (pemanas
air atau heater). Perilaku plant tersebut harus diketahui terlebih dahulu sebelum
penalaan parameter P dilakukan.
1
2
Karena dalam penyusunan model matematik plant tidak mudah, sehingga
dikembangkan suatu metode eksperimental. Metode ini didasarkan pada reaksi plant
yang dikenai suatu perubahan. Dengan metode eksperimental, model matematik
perilaku plant tidak diperlukan lagi. Hanya dengan menggunakan data berupa kurva
keluaran plant, penalaan pengendali P telah dapat dilakukan. Salah satu metode
pendekatan eksperimental penalaan pengendali P, yakni metode Ziegler-Nichols.
1.2 Batasan Masalah
Tugas Akhir ini dibatasi pada masalah-masalah sebagai berikut :
1. Plant adalah pemanas air atau heater dengan sumber tegangan AC.
2. Suhu air ditentukan sebesar 50oC, 70oC, dan 90oC.
3. Perancangan pengendali proporsional dengan menggunakan metode Ziegler-
Nichols.
4. Volume air tidak lebih dari 500 ml.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan pembuatan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut :
Membuat perangkat elektronik manual menjadi otomatis dengan
menggunakan sistem kendali kalang tertutup dan pengendalian menggunakan kendali
proporsional untuk mengatur batasan temperatur suatu air seperti yang diinginkan.
3
1.4 Manfaat Penelitian
Dengan kendali proporsional dan sistem kendali kalang tertutup, perangkat
elektronik manual dapat menjadi otomatis sehingga mempermudah dalam pemakaian
dan pemakai dapat menentukan keadaan suhu air sesuai yang diinginkan.
1.5 Metodologi Penelitian
Dalam pembuatan Tugas Akhir ini langkah-langkah yang ditempuh adalah
sebagai berikut :
1. Mencari referensi sebagai pendukung dalam penyusunan laporan.
2. Perancangan dan pembuatan plant.
3. Mengambil data dari plant.
4. Merancang sistem kendalinya.
5. Mengimplementasikan kendalinya.
6. Pengujian alat.
7. Penulisan laporan.
1.6 Sistematika Penulisan
Penulisan laporan tugas akhir yang berjudul Pengendali Suhu Air dengan
Kendali Proporsional adalah sebagai berikut :
BAB I. PENDAHULUAN
Bab ini berisi latar belakang masalah, batasan masalah, tujuan
penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian, sistematika penulisan.
4
BAB II. DASAR TEORI
Bab ini berisi penjelasan-penjelasan umum serta persamaan matematis
yang berkaitan dengan pengendali suhu air dengan kendali proporsional.
BAB III. PERANCANGAN ALAT
Bab ini berisi perancangan alat yang meliputi diagram blok, set point,
penguat beda, kendali proporsional, driver, plant, sensor, penguat tegangan
dan pemilihan komponen.
BAB IV. HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
Bab ini berisi hasil pengamatan dan pembahasan dari pengujian yang
telah dilakukan.
BAB V. PENUTUP
Bab ini berisi kesimpulan dan saran.
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sistem Kendali
Ada dua kategori sistem kendali yaitu kendali secara manual dan kendali
secara otomatis[1]. Pengendalian secara manual adalah pengendalian yang masih
memerlukan bantuan operator atau manusia. Sistem pengendalian yang masih
membutuhkan peran manusia ada di dalam sistem open loop. Pengendalian secara
otomatis adalah pengendalian yang dilakukan oleh sebuah alat sebagai pengganti
peran operator atau manusia. Sebuah alat sebagai pengganti dari peran manusia
disebut controller (pengendali). Sistem pengendalian yang dilakukan oleh sebuah
pengendali dan tidak ada peran manusia di dalam sistem disebut sistem closed loop.
Gambar 2.1 menunjukkan blok diagram dari suatu sistem dengan kendali
kalang tertutup. Plant adalah bagian yang akan dikendalikan. Dalam plant, terdapat
suatu sensor temperatur yang berfungsi untuk menerima sinyal keluaran dari plant.
Selain sensor temperatur, terdapat juga termometer suhu sebagai tampilan keluaran
suhu air. Keluaran dari sensor temperatur akan dikuatkan terlebih dahulu melalui
rangkaian pengkondisi sinyal. Keluaran dari pengkondisi sinyal dibandingkan dengan
set point dalam rangkaian penguat beda. Keluaran dari penguat beda digunakan
sebagai masukan pengendali. Pengendali tersebut berfungsi memberikan masukan ke
5
6
driver untuk mengendalikan plant sesuai dengan suhu yang diinginkan secara
otomatis.
Gambar 2.1 Blok diagram sistem kendali kalang tertutup [2].
2.2 Kendali Proporsional
Kata proporsional dapat diartikan sebagai kesebandingan. Dalam dunia
pengendali lebih sering digunakan istilah proporsional daripada kesebandingan.
Pengendali proporsional adalah tindakan koreksi yang dilakukan sebanding dengan
besar kesalahan yang terjadi, dan selanjutnya makin mengecil setelah makin dekat
target yang diinginkan. Secara lebih sederhana dapat dikatakan, bahwa keluaran
pengendali proporsional m(t) merupakan perkalian antara konstanta proporsional Kp
dengan sinyal kesalahan penggerak e(t). Keluaran pengendali proporsional dapat
dirumuskan seperti:
m(t) = Kp.e(t) ..........................................................(2.1)
7
atau dalam besaran transformasi Laplace,
pKsEsM
=)()( .............................................................(2.2)
Gambar 2.2 menunjukkan blok diagram yang menggambarkan hubungan
antara besaran setting, besaran aktual dengan besaran keluaran pengendali
proporsional. Sinyal kesalahan (error) merupakan selisih antara besaran setting
dengan besaran aktualnya. Selisih ini akan mempengaruhi pengendali untuk
mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif
(memperlambat tercapainya harga yang diinginkan).
Gambar 2.2 Diagram blok pengendali proporsional [2].
Pengendali proporsional memiliki 2 parameter, yaitu pita proporsional
(proportional band) dan konstanta proporsional. Daerah kerja pengendali efektif
dicerminkan oleh pita proporsional, sedangkan konstanta proporsional menunjukkan
nilai faktor penguatan terhadap sinyal kesalahan (Kp). Hubungan antara pita
8
proporsional (PB) dengan konstanta proporsional (Kp) ditunjukkan secara prosentasi
oleh persamaan berikut :
PB = %1001 xK p
......................................................(2.3)
Gambar 2.3 menunjukkan grafik hubungan antara PB, keluaran pengendali
dan kesalahan yang merupakan masukan pengendali. Ketika konstanta proporsional
bertambah semakin tinggi, pita proporsional menunjukkan penurunan yang semakin
kecil, sehingga lingkup kerja yang dikuatkan akan semakin sempit.
Gambar 2.3 Proportional band dari pengendali proporsional tergantung pada
penguatan [2].
9
Rangkaian proporsional terdiri atas rangkaian inverting amplifier seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.4. Masukan pengendali proporsional didapat dari
keluaran penguat beda yang merupakan selisih antara besaran set point dengan
besaran sensor.
Gambar 2.4 Rangkaian proporsional [3].
2.3 Metode Ziegler-Nichols
Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun 1942.
Metode ini memiliki dua cara, metode osilasi dan kurva reaksi. Kedua metode
mempunyai tujuan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum
sebesar 25%. Gambar 2.5 memperlihatkan kurva dengan lonjakan maksimum 25%.
10
Gambar 2.5 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25% lonjakan
maksimum [2].
Metode yang digunakan adalah metode kurva reaksi yang didasarkan terhadap
reaksi sistem untaian terbuka. Plant sebagai untaian terbuka dikenai sinyal fungsi
tangga satuan yang ditunjukkan pada Gambar 2.6. Kalau plant minimal tidak
mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, reaksi sistem akan
berbentuk S. Gambar 2.7 menunjukkan kurva berbentuk S tersebut. Kelemahan
metode kurva reaksi terletak pada ketidakmampuan untuk plant integrator maupun
plant yang memiliki pole kompleks karena kendali integral tidak pernah digunakan
terpisah, tetapi selalu dikaitkan dengan kendali proporsional dengan maksud untuk
memperkecil atau meniadakan kesalahan permanen.
Gambar 2.6 Respon tangga satuan sistem [2].
11
Gambar 2.7 Kurva respon berbentuk S [2].
Kurva berbentuk S mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan
waktu tunda T. Pada Gambar 2.7, terlihat bahwa kurva reaksi berubah naik, setelah
selang waktu L. Sedangkan waktu tunda menggambarkan perubahan kurva setelah
mencapai 66% dari keadaan mantapnya. Pada kurva dibuat suatu garis yang
bersinggungan dengan garis kurva. Garis singgung tersebut akan memotong dengan
absis dan garis maksimum. Perpotongan garis singgung absis merupakan ukuran
waktu mati dan perpotongan dengan garis maksimum merupakan waktu tunda yang
diukur dari titik waktu L. Karena plant sebagai untai terbuka, maka persamaan nilai K
berdasarkan respon kurva reaksi adalah sebagai berikut :
MCsK
ΔΔ
= .................................................................(2.4)
12
Penalaan parameter PID didasarkan dari nilai K, T, L. Zeigler dan Nichols
melakukan eksperimen dan menyarankan parameter penyetelan nilai Kp, Ti dan Td
dengan didasarkan pada parameter-parameter tersebut. Tabel 2.1 menunjukkan tabel
rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara kurva reaksi.
Tabel 2.1 Tabel penalaan parameter PID dengan metode kurva reaksi [2].
Tipe Kendali Kp Ti TdP
LTx
K1 ~ 0
PI LTx
K9,0
3,0L
0
PID LTx
K2,1 2L 0,5L
2.4 Penguat Membalik (Inverting Amplifier)
Rangkaian inverting amplifier atau penguat pembalik hanya mempunyai satu
tegangan masukan yang terhubung dengan tegangan masukan membalik (-) dan
tegangan tidak membalik (+) yang dihubungkan dengan gnd (ground). Sifat dari
rangkaian inverting amplifier adalah melemahkan atau menguatkan tegangan
masukan, dan sifat itu tergantung nilai penguatan yang ditentukan. Konfigurasi
rangkaian inverting amplifier seperti Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Inverting Amplifier [3].
13
Rangkaian inverting amplifier mempunyai nilai penguatan sebesar :
A = i
f
RR
− .................................................................(2.5)
Tegangan keluaran dari rangkaian inverting amplifier ditentukan oleh persamaan :
Vout = ini
f VRR
− .........................................................(2.6)
Jika nilai dari kedua hambatan Rf dan Ri sama, maka tegangan keluaran yang
didapatkan akan berupa pembalikan tanda dari tegangan masukan.
Vout = - Vin ...............................................................(2.7)
2.5 Plant
Plant adalah seperangkat peralatan, mungkin hanya terdiri dari beberapa
bagian mesin yang bekerja bersama-sama, yang digunakan untuk melakukan suatu
operasi tertentu. Plant yang digunakan terdiri dari penampung air dengan aktuator
berupa heater. Daya ac dari heater sebesar 100 Watt. Gambar 2.9 menunjukkan
gambar dari plant berupa heater.
Gambar 2.9 Heater
14
2.6 Sensor Suhu
Sensor merupakan perangkat elektronik yang dapat berfungsi sebagai
pengubah besaran suhu menjadi besaran tegangan. Sensor suhu sudah tersedia dalam
bentuk bahan semikonduktor. Kemampuan bahan semikonduktor adalah mempunyai
jangkauan pengukuran yang lebar. Selain itu, bahan semikonduktor mempunyai sifat
linear antara perubahan suhu dengan tegangan keluaran. Sensor suhu yang berupa
bahan semikonduktor terintegrasi adalah IC LM35. Secara fisik bentuk dari IC
LM35 terlihat seperti transistor dan dapat dilihat pada Gambar 2.10. Dilihat dari kaki
IC, kaki pertama adalah Vs, kaki kedua adalah Vout dan kaki ketiga adalah gnd
(ground). Adapun karakteristik dari IC LM35 adalah sebagai berikut :
1. IC LM35 mempunyai faktor skala linear 10 mV/oC. Artinya mempunyai
perubahan pada keluaran sebesar 10 mV setiap 1oC, apabila pada komponen
ini diberi tegangan dari catu daya supaya dapat bekerja sebagai sensor suhu
yang bersifat linear.
2. Mempunyai jangkauan pengukuran rata-rata sebesar -55oC sampai +150oC.
3. Tegangan operasi dari 4 volt sampai 30 volt.
4. Arus drain kurang dari 60 μA.
5. Ciri ketidaklinearannya hanya ±41 oC.
6. Impedansi keluaran 0,1 Ω untuk beban arus 1 mA.
15
Jika suhu 1oC menyebabkan perubahan tegangan keluaran sebesar 10 mV, maka
dapat dikatakan bahwa suhu naik 1oC, tegangan keluaran akan bertambah 10 mV dan
suhu turun 1oC, tegangan keluaran turun sebesar 10 mV.
Gambar 2.10 IC LM35 [4].
2.7 Penguat Tak Membalik (non inverting amplifier)
Pada penguat tak membalik (non inverting amplifier) seperti digambarkan
pada Gambar 2.11, tegangan keluaran mempunyai polaritas yang sama dengan
tegangan masukan. Tahanan Rf dan Ri menghasilkan tegangan umpan balik VA
seperti ditunjukkan pada Gambar 2.11. VA terletak pada masukan membalik karena
beda tegangan antara masukan membalik dan masukan tak membalik adalah sama
dengan nol. Jadi pada masukan membalik dan masukan tak membalik mempunyai
polaritas yang sama, sehingga :
VA = Vin....................................................................(2.8)
16
Gambar 2.11 Non Inverting Amplifier [3].
Tegangan keluaran adalah tegangan masukan dikalikan dengan faktor penguatan,
dapat dituliskan sebagai berikut :
Vout = AV . Vin
Vout = AV . VA .....................................................(2.9)
AV = A
out
VV
........................................................(2.10)
Tahanan Rf dan Ri merupakan pembagi tegangan untuk Vout, sehingga pada Ri timbul
tegangan VA sebesar :
VA = Vout . ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+ fi
i
RRR ....................................(2.11)
out
A
VV
= ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+ fi
i
RRR
karena out
A
VV
= VA
1 ,
maka AV = A
out
VV
17
= ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +
i
fi
RRR
= ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
i
f
RR
1 ................................................(2.12)
Tegangan keluaran dari penguat tak membalik ditentukan oleh persamaan :
Vout = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
i
f
RR
1 .Vin ..........................................(2.13)
Bila nilai Rf = Ri, maka besar penguatan tegangan yang terjadi sebesar :
Vout = 2 . Vin ......................................................(2.14)
2.8 Penguat Beda
Penguat beda atau penguat diferensial umumnya digunakan untuk mendeteksi
perbedaan antara 2 sinyal. Penguat beda juga berfungsi sebagai pelemah sinyal
karena besarnya tegangan yang dihasilkan dari keluaran penguat beda akan
mengalami pelemahan atau pengecilan. Masukan V1 atau keluaran dari set point
dihubungkan dengan masukan tidak membalik (+) dan masukan V2 atau keluaran dari
penguat tegangan dihubungkan dengan masukan membalik (-). Gambar 2.12.a
merupakan gambar dari rangkaian penguat beda.
Gambar 2.12.a Penguat beda [3].
18
Pada saat V1 = 0 dan V2 ≠ 0, rangkaian penguat beda menjadi rangkaian inverting
amplifier. Gambar rangkaian penguat beda dengan V1 = 0 dan V2 ≠ 0 ditunjukkan
pada Gambar 2.12.b. Dari rangkaian tersebut didapatkan nilai tegangan keluaran dan
nilai penguatan sebagai berikut :
Vout (v1 = 0) = 23
4 xVRR
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛− .................................(2.15)
A = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
3
4
RR
...................................................(2.16)
Gambar 2.12.b Penguat beda [3].
Sedangkan pada saat V2 = 0 dan V1 ≠ 0, maka didapatkan nilai tegangan keluaran
sebagai berikut :
Va = 121
2 xVRR
R+
...........................................(2.17)
Vout (v2 = 0) = axVR
RR⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ +
3
43 ......................................(2.18)
19
Vout (v2 = 0) = xRR
R
21
2
+ 13
43 xVR
RR + ..........................(2.19)
Rangkaian penguat beda dengan V2 = 0 dan V1 ≠ 0 ditunjukkan pada Gambar 2.12.c.
Gambar 2.12.c Penguat beda [3].
Tegangan keluaran dari penguat beda didapatkan dari hasil penjumlahan.
Vout = Vout (v1 = 0) + Vout (v2 = 0)
Vout = 23
4 xVRR
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛− + x
RRR
21
2
+ 13
43 xVR
RR +……......…(2.20)
Apabila nilai hambatan dari R1 = R2 = R3 = R4, maka akan didapatkan nilai tegangan
keluaran sebagai berikut :
Vout = -V2 + V1
Vout = V1 – V2 ...................................................(2.21)
20
2.9 Set Point
Set point adalah harga yang diinginkan bagi variabel yang dikendalikan
selama pengendalian. Harga ini tidak tergantung dari keluaran sistem. Rangkaian set
point terdiri dari rangkaian pembagi tegangan dan buffer.
2.9.1 Pembagi Tegangan
Rangkaian pembagi tegangan merupakan rangkaian yang dibangun
dari susunan resistor-resistor, dengan konfigurasi seperti pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Rangkaian pembagi tegangan [3].
Persamaan Vout ditentukan sebagai berikut :
VccR
RV21
2out x
R+= ………............…........……..(2.22)
2.9.2 Buffer Tegangan
Buffer tegangan berfungsi untuk mempertahankan tegangan keluaran
dari rangkaian pembagi tegangan agar keluaran tersebut tidak terbebani oleh
beban. Nilai amplitudo tegangan keluaran sama dengan nilai amplitudo
tegangan masukan yang diberikan. Konfigurasi buffer tegangan ditunjukkan
pada Gambar 2.14.
21
Gambar 2.14 Konfigurasi buffer tegangan [3].
2.10 Optoisolator
Ada dua tipe optoisolators triac, yaitu MOC301XM dan MOC302XM.
Optoisolator tersebut menggabungkan LED dengan triac dalam satu kemasan. LED
terdapat pada sisi masukan dan triac terdapat pada sisi keluaran. Rangkaian skematik
dari optoisolator dapat dilihat pada Gambar 2.15. Tegangan maksimum pada seri
MOC301XM sebesar 250V, sedangkan tegangan maksimum pada seri MOC 302XM
sebesar 400V.
Gambar 2.15 Skematik optoisolator [5].
22
2.11 Triac
Triac adalah alat semikonduktor empat lapis (PNPN) yang mempunyai tiga
terminal, yaitu terminal utama 2 (MT2), terminal utama 1 (MT1) dan gerbang (G).
Triac merupakan alat thyristor dan sering banyak digunakan. Keluaran dari triac
adalah arus bolak-balik, bukan arus searah. Triac dibuat untuk menyediakan cara agar
kendali daya ac ditingkatkan. Triac beroperasi seperti dua SCR dalam satu bungkus.
Rangkaian ekivalen triac diperlihatkan sebagai dua SCR yang dihubungkan paralel
terbalik seperti diperlihatkan pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16 (a) Simbol (b) Rangkaian ekivalen, sama dengan dua SCR yang
terhubung paralel terbalik [6].
Jika terminal MT1 dan MT2 diberi tegangan AC dan gate dalam kondisi
mengambang, maka tidak ada arus yang dilewatkan oleh triac sampai pada tegangan
breakover triac tercapai. Pada kondisi ini, triac OFF. Pada saat gate diberi arus positif
atau negatif, tegangan breakover akan turun. Semakin besar nilai arus yang masuk ke
23
gate, semakin rendah tegangan breakover. Pada kondisi ini triac menjadi ON selama
tegangan pada MT1 dan MT2 di atas nol volt. Apabila tegangan pada MT1 dan MT2
sudah mencapai nol volt, maka kondisi kerja triac akan berubah dari ON ke OFF.
Ketika triac sudah menjadi OFF kembali, triac akan selamanya OFF sampai ada arus
trigger ke gate dan tegangan MT1 dan MT2 melebihi tegangan breakover. Gambar
2.17 memperlihatkan daerah kerja triac.
Gambar 2.17 Kurva karakteristik triac [6].
2.12 PWM (Pulse Width Modulation)
PWM (Pulse Width Modulation) merupakan rangkaian yang menghasilkan
variasi pulsa untuk masukan dc yang bervariasi. PWM digunakan untuk
membandingkan tegangan segitiga yang berperiode konstan tertentu dengan tegangan
dc yang berubah-ubah seperti ditunjukkan pada Gambar 2.18. Hasil yang didapatkan
24
berupa gelombang kotak dengan perbandingan periode on-off yang berubah seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.19. Suatu gelombang segitiga yang dibandingkan dengan
tegangan sebesar Vdc yang berpolaritas positif akan menghasilkan gelombang kotak.
Gambar 2.18 Rangkaian PWM analog [3].
Gambar 2.19 Bentuk pulsa PWM [3].
2.13 Tanggapan Sistem
Tanggapan sistem kendali sering menunjukkan osilasi teredam sebelum
mencapai keadaan tunak[7]. Dalam menentukan karakteristik tanggapan sistem
kendali terhadap masukan tangga satuan, biasanya dicari parameter-parameter
berikut :
25
1. Waktu Tunda (Delay Time), td.
Waktu tunda adalah waktu yang diperlukan tanggapan mencapai setengah
harga akhir yang pertama kali.
2. Waktu Naik (Rise Time), tr.
Waktu naik adalah waktu yang diperlukan tanggapan untuk naik dari 10%
hingga 90%.
3. Waktu Penetapan (Settling Time), ts.
Waktu penetapan adalah waktu yang diperlukan kurva tanggapan dan
menetap dalam daerah disekitar harga akhir yang ukurannya ditentukan
dengan prosentase mutlak dari harga akhir (98% atau 95%).
4. Lewatan Maksimum (Maximum Overshoot), Mp.
Lewatan maksimum adalah harga puncak maksimum dari kurva
tanggapan yang diukur dari satu.
5. Waktu Puncak (Peak Time), tp.
Waktu puncak adalah waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai
puncak lewatan yang pertama kali.
Untuk memperoleh nilai – nilai tersebut digunakan rumus :
Delay Time ( td ) = t50% - 0 …………………………..………….(2.23)
Rise Time ( tr ) = t90% - t10% ……………………………………....(2.24)
Settling Time ( ts ) = t98% - 0 …………………………………………(2.25)
Prosentase lewatan maksimum = %100)c(
)c( -c(tp) x∞
∞ ……………..…….(2.26)
BAB III
PERANCANGAN
Sistem perancangan pengendali suhu air dengan kendali proporsional adalah
gabungan beberapa alat-alat kerja atau pengendalian. Alat-alat pengendalian tersebut
terdiri dari plant, aktuator, sensor, penguat tegangan, set point, penguat beda, driver
dan pengendali P. Gambar perancangan perangkat keras ditunjukkan dalam Gambar
3.1.
Gambar 3.1 Perangkat keras (hardware)
3.1 Plant
Plant yang digunakan terdiri dari penampung air dengan aktuator berupa
heater. Penampung air terbuat dari bahan plastik dan daya heater sebesar 100 Watt.
Gambar 3.2 menunjukkan gambar dari plant.
26
27
Gambar 3.2 Plant
Pengambilan data plant tersebut menggunakan sensor LM35 yang diberi
tegangan masukan sebesar 5 Volt sehingga didapatkan data plant yang ditunjukkan
pada Tabel 3.1. Berdasarkan perolehan data Tabel 3.1 didapatkan kurva reaksi yang
ditunjukkan pada Gambar 3.3. Kurva reaksi tersebut menyatakan perbandingan antara
waktu dengan suhu. Hasil pengamatan data plant tersebut juga sangat dipengaruhi
oleh faktor-faktor sebagai berikut :
Kapasitas air pada penampung : 500 mL.
Vs : 5 Volt.
Suhu awal : 28oC.
Vout : 0,280 Volt.
Jala-jala listrik : 210 Volt.
Suhu lingkungan sekitar : 30oC.
28
Tabel 3.1 Pengamatan keluaran plant
Waktu (s) Suhu (oC) Tegangan (Volt) 22 29 0,290 27 30 0,300 33 31 0,310 37 32 0,320 42 33 0,330 45 34 0,340 48 35 0,350 68 40 0,400 93 45 0,450 113 50 0,500 146 55 0,550 165 60 0,600 184 65 0,650 210 70 0,700 238 75 0,750 261 80 0,800 291 85 0,850 350 90 0,900
Gambar 3.3 Kurva reaksi data plant.
29
3.2 Sensor Suhu
Perancangan untuk mengetahui perubahan suhu air di dalam penampung
menggunakan LM35. Karena LM35 tidak dapat dicelupkan langsung ke dalam air,
maka LM35 dibungkus supaya tidak terjadi hubung singkat. Masukan untuk sensor
ditentukan sebesar 5 Volt. Berdasarkan gambar 2.10 rangkaian sensor suhu dapat
dikonfigurasikan menjadi seperti gambar 3.4.
Gambar 3.4 Sensor
3.3 Penguat Tegangan
Penguat tegangan menggunakan rangkaian non inverting amplifier. Rangkaian
tersebut digunakan sebagai penguat tegangan keluaran sensor. Karena tegangan
keluaran sensor kecil, maka tegangan keluaran tersebut akan dikuatkan sebesar 2 kali
agar menjadi cukup besar. Dengan mengacu persamaan 2.12 dan Gambar 2.11 nilai
hambatan dapat dihitung :
Av = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
i
f
RR
1
30
2 = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
kR f
101
1 = ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛k
R f
10
Rf = 10kΩ
Dengan nilai Ri ditentukan 10 kΩ, diperoleh nilai Rf adalah 10 kΩ dan rangkaian
penguat menjadi seperti Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Penguat tegangan menggunakan potensiometer
Berdasarkan data dari keluaran sensor pada plant sesuai dengan suhu yang
ditentukan, didapatkan besaran tegangan. Dengan mengacu persamaan 2.13 dan
Gambar 3.5, besaran tegangan akan dikuatkan terlebih dahulu sehingga didapatkan
nilai tegangan seperti pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Perhitungan keluaran penguat tegangan
Suhu (oC) Vin (Volt) Vout (Volt) 50 0,500 1,000 70 0,700 1,400 90 0,900 1,800
31
Hasil besaran tegangan tersebut sebagai acuan dalam menentukan batasan suhu pada
set point.
3.4 Set point
Set point berfungsi untuk menentukan batasan suhu air yang diinginkan.
Rangkaian pendukung set point terdiri dari pembagi tegangan dan buffer. Pada
rangkaian pembagi tegangan, jika nilai R2 ditentukan sebesar 1 kΩ, maka akan
didapatkan nilai R1. Tabel 3.3 menunjukkan hasil perhitungan R1 dengan mengacu
persamaan 2.22 dan Gambar 2.13.
Tabel 3.3 Perhitungan nilai R1
Suhu (oC) R2 (Ohm) R1 (Ohm) 50 1k 11k 70 1k 8,57k 90 1k 5,66k
Jadi rangkaian set point dapat dikonfigurasikan seperti pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6 Rangkaian set point
3.5 Penguat Beda
32
Penguat beda digunakan untuk pendeteksi perbedaan antara 2 sinyal yaitu dari
set point dan sensor. Nilai tegangan keluaran dari set point dikurangi nilai tegangan
keluaran dari sensor. Dengan mengacu persamaan 2.21 dan Gambar 2.12.a,
didapatkan nilai Vout adalah :
Vout = V1 – V2
Berdasarkan persamaan 2.20, nilai dari Vout adalah :
Vout = 23
4 xVRR
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛− + x
RRR
21
2
+ 13
43 xVR
RR +
atau
Vout = xRR
R
21
2
+ 13
43 xVR
RR + 2
3
4 xVRR
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
Agar persamaan 2.20 menjadi persamaan 2.21, maka nilai R2 = R1 = R3 = R4.
Ditentukan nilai resistor R2 = 10 kΩ, maka nilai R1, R3 dan R4 adalah 10 kΩ. Jadi
rangkaian penguat beda dapat dikonfigurasikan menjadi seperti Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Rangkaian penguat beda
33
3.6 Pengendali Proporsional
Gambar 3.3 menunjukkan kurva reaksi dari data plant mulai suhu awal
sampai batas suhu maksimum yang ditentukan. Dari kurva reaksi data plant tersebut
dan dengan mengacu Gambar 2.7, dapat diketahui ΔCs dan ΔM. Kedua koefisien
tersebut digunakan untuk mencari nilai K. Nilai dari ΔCs didapat dari batasan suhu
air maksimum yang ditentukan dikurangi dengan suhu awal air, sedangkan ΔM
didapat dari tegangan maksimum yang digunakan pada plant. Karena tegangan yang
digunakan dalam plant adalah tegangan AC yaitu sebesar 220 Volt, maka dapat
dikatakan bahwa tegangan 220 Volt adalah 100%. Dengan mengacu persamaan 2.4,
dapat dicari nilai K yaitu :
MCsK
ΔΔ
=
= %1002890 − .
2890%100
−
= %100
62 . 62
%100
= 1
Berdasarkan Gambar 3.3 didapatkan nilai T = 249 detik dan nilai L = 27 detik,
sehingga dari tabel 2.1 nilai Kp dapat dicari sebagai berikut :
Kp = LTx
K1
34
= 27249
11 x
= 1 x 9,22
= 9,22
Gambar 2.4 menunjukkan rangkaian proporsional yang terdiri dari dua rangkaian
inverting amplifier. Nilai penguatan untuk rangkaian inverting amplifier pertama
sudah diketahui yaitu sebesar 9. Jika ditentukan nilai R1 = 1 kΩ dan berdasarkan
persamaan 2.5, nilai R2 dapat dihitung sebagai berikut :
Kp = -1
2
RR
, A = Kp, Rf = R2, Ri = R1
9 = -k
R1
2
R2 = - 9 kΩ
Karena nilai resistor yang dihasilkan R2 berpolaritas negatif, maka digunakan
rangkaian inverting amplifier sebagai pembalik polaritas agar menjadi positif dengan
asumsi nilai R3 = R4. Persamaan 2.5 mengalami perubahan polaritas sehingga
persamaan tersebut menjadi sebagai berikut :
Kp = 1
2
RR
9 = k
R1
2
R2 = 9 kΩ
Ditentukan nilai R3 = R4 = 1 kΩ sehingga Gambar 2.4 dapat dikonfigurasikan menjadi
seperti gambar 3.8.
35
Gambar 3.8 Rangkaian proporsional
3.7 Driver
Perancangan driver menggunakan PWM sebagai pemicu driver. Realisasi
PWM terdiri dari pembangkit segitiga dan pembanding. Gambar 3.9 menunjukkan
rangkaian pembangkit pulsa. Driver menggunakan seri MOC3021M yang berfungsi
sebagai switch atau pemutus. Rangkaian yang digunakan dalam driver berdasarkan
acuan datasheet. Gambar 3.10 menunjukkan rangkaian driver.
Gambar 3.9 Rangkaian pembangkit pulsa
36
Gambar 3.10 Driver
BAB IV
HASIL PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN
Bab ini membahas perihal pengamatan rancangan pengendali suhu air dengan
kendali proporsional. Pengujian dan pengamatan dilakukan dengan menggunakan
heater dengan daya 100 Watt. Pengujian dilakukan dengan cara memilih level suhu
yang sudah ditentukan melalui set point. Pengambilan data tegangan dengan
menggunakan multimeter digital, pengambilan data suhu dengan menggunakan
termometer dan pengambilan data waktu dengan menggunakan stopwatch.
4.1 Pengamatan Plant
Plant merupakan bagian sistem yang akan dikendalikan. Pada plant terdiri
dari heater sebagai aktuator, penampung air, termometer digunakan sebagai pengukur
suhu air dan sensor suhu sebagai penerima nilai umpan balik. Penempatan
termometer dan sensor pada plant ditentukan pada posisi depan heater. Untuk lebih
jelasnya ditunjukkan pada Gambar 4.1. Terdapat indikator lampu sebagai penunjuk
kondisi heater. Lampu menyala berarti heater dalam kondisi ON, sedangkan lampu
mati berarti heater dalam kondisi OFF.
37
38
Gambar 4.1 Perangkat keras (hardware).
4.1.1 Pengamatan Plant untuk Set Point 50oC.
Pengamatan plant untuk set point 50oC dilakukan pada waktu,
termometer suhu, tegangan masukan heater (AC) dan tegangan keluaran
sensor. Hasil pengamatan tersebut ditunjukkan pada tabel 4.1. Hasil
pengamatan juga sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor sebagai berikut :
1. Suhu awal air sebesar 28oC.
2. Suhu lingkungan sekitar sebesar 30oC.
3. Tegangan jala-jala listrik sebesar 210 VAC.
39
Tabel 4.1 Pengamatan plant untuk set point 50oC.
Waktu Suhu Tegangan Tegangan keluaran Indikator (detik) (oC) heater (VRMS) sensor (V) heater
0 28 141,400 0,280 ON 45 34 141,400 0,300 ON 63 36 134,330 0,320 ON 76 38 134,330 0,340 ON 89 41 132,209 0,360 ON 102 43 126,553 0,380 ON 114 44 124,432 0,400 ON 126 46 123,018 0,420 ON 138 48 121,604 0,440 ON 150 50 117,362 0,460 ON 162 52 110,999 0,480 ON 172 53 0 0,494 OFF 183 55 0 0,500 OFF 205 52 0 0,520 OFF 278 51 0 0,530 OFF 322 50 0 0,520 OFF 368 49 0 0,500 OFF 428 48 107,464 0,490 ON 458 52 0 0,500 OFF 482 51 0 0,510 OFF 560 50 0 0,500 OFF 608 48 107,464 0,490 ON 656 51 0 0,500 OFF
Dari data pengamatan tabel 4.1 dapat diperoleh Gambar 4.2 yang
menunjukkan grafik antara suhu berbanding waktu dan Gambar 4.3 yang
menunjukkan grafik antara tegangan heater berbanding waktu.
40
Gambar 4.2. Grafik plant untuk set point 50oC.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 100 200 300 400 500 600 700
Waktu (detik)
Tega
ngan
Hea
ter (
V)
Gambar 4.3 Grafik tegangan heater untuk set point 50oC.
41
Alat dapat bekerja dengan baik secara proporsional pada suhu 50oC.
Pernyataan ini dibuktikan Gambar 4.2 yang menunjukkan bahwa suhu
semakin mendekati set point 50oC, tegangan pada heater menjadi semakin
kecil hingga mencapai nilai nol yang ditunjukkan pada Gambar 4.3. Kondisi
tegangan nol pada heater menyatakan sistem telah bekerja dengan baik dan
dapat mencapai kestabilan. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan
kestabilan (ts) sebesar 428 detik. Sistem mengalami overshoot yang
disebabkan pemanasan air yang tidak merata, overshoot yang terjadi sebesar
10%. Overshoot 10% masih ditoleransi oleh metode Ziegler-Nichols karena
sistem mengalami lonjakan maksimum sebesar 25%. Untuk perhitungan
settling time (ts) dan maximum overshoot (Mp) adalah sebagai berikut :
Settling time (ts) = t98%
= 428 detik.
Maximum overshoot (Mp) %10050
5055 x−=
%100505 x=
%10=
4.1.2 Pengamatan Plant untuk Set Point 70oC.
Pengamatan plant untuk set point 70oC dilakukan pada waktu,
termometer suhu, tegangan masukan heater (AC) dan tegangan keluaran
42
sensor. Hasil pengamatan tersebut ditunjukkan pada tabel 4.2. Hasil
pengamatan juga sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor sebagai berikut :
1. Suhu awal air sebesar 28oC.
2. Suhu lingkungan sekitar sebesar 30oC.
3. Tegangan jala-jala listrik sebesar 210 VAC.
Tabel 4.2 Pengamatan plant untuk set point 70oC.
Waktu Suhu Tegangan Tegangan keluaran Indikator (detik) (oC) heater (VRMS) sensor (V) heater
0 28 141,400 0,280 ON49 34 141,400 0,300 ON64 36 141,400 0,320 ON78 38 141,400 0,340 ON89 41 141,400 0,360 ON102 43 141,400 0,380 ON115 44 141,400 0,400 ON126 46 141,400 0,420 ON136 48 141,400 0,440 ON150 50 141,400 0,460 ON162 52 141,400 0,480 ON175 53 140,693 0,500 ON188 55 140,693 0,520 ON201 57 139,986 0,540 ON216 59 139,279 0,560 ON230 61 135,744 0,580 ON241 63 132,209 0,600 ON256 66 130,088 0,620 ON271 69 126,553 0,640 ON288 70 120,897 0,660 ON305 73 115,948 0,680 ON314 74 111,706 0,696 ON324 75 0 0,700 OFF336 74 0 0,710 OFF364 73 0 0,720 OFF452 72 0 0,710 OFF496 70 0 0,700 OFF534 69 108,171 0,690 ON619 72 0 0,700 OFF640 72 0 0,710 OFF702 70 0 0,700 OFF762 69 108,171 0,690 ON788 72 0 0,700 OFF
43
Dari data pengamatan tabel 4.2 dapat diperoleh Gambar 4.4 yang
menunjukkan grafik antara suhu berbanding waktu dan Gambar 4.5 yang
menunjukkan grafik antara tegangan heater berbanding waktu.
Gambar 4.4. Grafik plant untuk set point 70oC.
44
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 200 400 600 800 1000
Waktu (detik)
Tega
ngan
Hea
ter (
V)
Gambar 4.5 Grafik tegangan heater untuk set point 70oC.
Alat dapat bekerja dengan baik secara proporsional pada suhu 70oC.
Pernyataan ini dibuktikan Gambar 4.4 yang menunjukkan bahwa suhu
semakin mendekati set point 70oC, tegangan pada heater menjadi semakin
kecil hingga mencapai nilai nol yang ditunjukkan pada Gambar 4.5. Kondisi
tegangan nol pada heater menyatakan sistem telah bekerja dengan baik dan
dapat mencapai kestabilan. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan
kestabilan (ts) sebesar 534 detik. Sistem mengalami overshoot yang
disebabkan pemanasan air yang tidak merata, overshoot yang terjadi sebesar
7,14%. Overshoot 7,14% masih ditoleransi oleh metode Ziegler-Nichols
45
karena sistem mengalami lonjakan maksimum sebesar 25%. Untuk
perhitungan settling time (ts) dan maximum overshoot (Mp) adalah sebagai
berikut :
Settling time (ts) = t98%
= 534 detik.
Maximum overshoot (Mp) %10070
7075 x−=
%100705 x=
%14,7=
4.1.3 Pengamatan Plant untuk Set Point 90oC.
Pengamatan plant untuk set point 90oC dilakukan pada waktu,
termometer suhu, tegangan masukan heater (AC) dan tegangan keluaran
sensor. Hasil pengamatan tersebut ditunjukkan pada tabel 4.3. Hasil
pengamatan juga sangat dipengaruhi oleh faktor-faktor sebagai berikut :
1. Suhu awal air sebesar 28oC.
2. Suhu lingkungan sekitar sebesar 30oC.
3. Tegangan jala-jala listrik sebesar 210 VAC.
46
Tabel 4.3 Pengamatan plant untuk set point 90oC.
Waktu Suhu Tegangan Tegangan keluaran Indikator (detik) (oC) heater (VRMS) sensor (V) heater
0 28 140,693 0,280 ON50 33 140,693 0,300 ON64 36 140,693 0,320 ON75 38 140,693 0,340 ON90 41 140,693 0,360 ON102 43 140,693 0,380 ON115 46 140,693 0,400 ON138 51 140,693 0,440 ON149 54 140,693 0,460 ON162 55 140,693 0,480 ON173 57 140,693 0,500 ON197 61 140,693 0,540 ON209 63 140,693 0,560 ON221 66 140,693 0,580 ON234 68 140,693 0,600 ON258 72 140,693 0,640 ON270 74 140,693 0,660 ON282 76 140,693 0,680 ON295 78 135,037 0,700 ON310 78 135,037 0,720 ON324 80 135,037 0,740 ON340 83 129,381 0,760 ON355 85 127,260 0,780 ON374 86 125,846 0,800 ON419 89 121,604 0,840 ON462 90 118,776 0,860 ON528 93 115,948 0,896 ON545 93 0 0,900 OFF578 90 0 0,910 OFF642 89 111,706 0,890 ON698 93 0 0,900 OFF732 90 0 0,910 OFF786 89 111,706 0,890 ON858 93 0 0,900 OFF892 90 0 0,910 OFF942 89 111,706 0,890 ON1014 93 0 0,900 OFF
47
Dari data pengamatan tabel 4.3 dapat diperoleh Gambar 4.6 yang
menunjukkan grafik antara suhu berbanding waktu dan Gambar 4.7 yang
menunjukkan grafik antara tegangan heater berbanding waktu.
Gambar 4.6. Grafik plant untuk set point 90oC.
48
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 200 400 600 800 1000 1200
Waktu (detik)
Tega
ngan
Hea
ter (
V)
Gambar 4.7 Grafik tegangan heater untuk set point 90oC.
Alat dapat bekerja dengan baik secara proporsional pada suhu 90oC.
Pernyataan ini dibuktikan Gambar 4.6 yang menunjukkan bahwa suhu
semakin mendekati set point 90oC, tegangan pada heater menjadi semakin
kecil hingga mencapai nilai nol yang ditunjukkan pada Gambar 4.7. Kondisi
tegangan nol pada heater menyatakan sistem telah bekerja dengan baik dan
dapat mencapai kestabilan. Waktu yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan
kestabilan (ts) sebesar 642 detik. Sistem mengalami overshoot yang
disebabkan pemanasan air yang tidak merata, overshoot yang terjadi sebesar
3,33%. Overshoot 3,33% masih ditoleransi oleh metode Ziegler-Nichols
karena sistem mengalami lonjakan maksimum sebesar 25%. Untuk
49
perhitungan settling time (ts) dan maximum overshoot (Mp) adalah sebagai
berikut :
Settling time (ts) = t98%
= 642 detik.
Maximum overshoot (Mp) %10090
9093 x−=
%100903 x=
%33,3=
BAB V
PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan perancangan dan pengujian pengendali suhu air dengan kendali
proporsional, maka dapat diambil kesimpulan sebagai berikut :
1. Alat bekerja dengan baik mempresentasikan kendali proporsional.
2. Tegangan pada heater semakin mengecil hingga mencapai nilai nol, jika suhu
mendekati set point.
3. Hasil pemanasan suhu air sesuai dengan yang diinginkan yaitu 50oC, 70oC,
dan 90oC.
5.2 Saran
Beberapa saran bagi pengembangan penelitian ini untuk menuju ke arah yang
lebih baik dan sempurna diantaranya adalah sebagai berikut :
1. Pengendali suhu air dengan kendali proporsional dapat ditambahkan dengan
pendingin agar suhu yang didapatkan benar stabil.
2. Pengendali suhu air dengan kendali proporsional dapat dikembangkan dengan
metode PID ( Proporsional Integral Differensial).
50
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gunterus, Frans, 1994, Falsafah Dasar: Sistem Pengendalian Proses,
Erlangga, Jakarta.
[2] www.elektroindonesia.com , (diakses 20 Januari 2007).
[3] Robert F.C., Frederick F.D., Herman W.S., 1985, Penguat Operasional dan
Rangkaian Terpadu Linear, Erlangga, Jakarta.
[4] www.national.com/LM35. (diakses12 April 2006).
[5] www.fairchildsemi.com/ Optoisolators Triac Driver Output. (diakses14
Februari 2007).
[6] Petruzella, F.D., 2001, Elektronik Industri, Andi, Yogyakarta.
[7] Ogata, Katshuhiko, 1994, Teknik Kontrol Automatik, Erlangga, Jakarta.
LAMPIRAN
Rangkaian Pengendali Suhu Air dengan Kendali Proporsional
LM35Precision Centigrade Temperature SensorsGeneral DescriptionThe LM35 series are precision integrated-circuit temperaturesensors, whose output voltage is linearly proportional to theCelsius (Centigrade) temperature. The LM35 thus has anadvantage over linear temperature sensors calibrated in˚ Kelvin, as the user is not required to subtract a largeconstant voltage from its output to obtain convenient Centi-grade scaling. The LM35 does not require any externalcalibration or trimming to provide typical accuracies of ±1⁄4˚Cat room temperature and ±3⁄4˚C over a full −55 to +150˚Ctemperature range. Low cost is assured by trimming andcalibration at the wafer level. The LM35’s low output imped-ance, linear output, and precise inherent calibration makeinterfacing to readout or control circuitry especially easy. Itcan be used with single power supplies, or with plus andminus supplies. As it draws only 60 µA from its supply, it hasvery low self-heating, less than 0.1˚C in still air. The LM35 israted to operate over a −55˚ to +150˚C temperature range,while the LM35C is rated for a −40˚ to +110˚C range (−10˚with improved accuracy). The LM35 series is available pack-
aged in hermetic TO-46 transistor packages, while theLM35C, LM35CA, and LM35D are also available in theplastic TO-92 transistor package. The LM35D is also avail-able in an 8-lead surface mount small outline package and aplastic TO-220 package.
Featuresn Calibrated directly in ˚ Celsius (Centigrade)n Linear + 10.0 mV/˚C scale factorn 0.5˚C accuracy guaranteeable (at +25˚C)n Rated for full −55˚ to +150˚C rangen Suitable for remote applicationsn Low cost due to wafer-level trimmingn Operates from 4 to 30 voltsn Less than 60 µA current drainn Low self-heating, 0.08˚C in still airn Nonlinearity only ±1⁄4˚C typicaln Low impedance output, 0.1 Ω for 1 mA load
Typical Applications
DS005516-3
FIGURE 1. Basic Centigrade Temperature Sensor(+2˚C to +150˚C)
DS005516-4
Choose R1 = −VS/50 µAV OUT=+1,500 mV at +150˚C
= +250 mV at +25˚C= −550 mV at −55˚C
FIGURE 2. Full-Range Centigrade Temperature Sensor
November 2000LM
35P
recisionC
entigradeTem
peratureS
ensors
© 2000 National Semiconductor Corporation DS005516 www.national.com
Connection Diagrams
TO-46Metal Can Package*
DS005516-1
*Case is connected to negative pin (GND)
Order Number LM35H, LM35AH, LM35CH, LM35CAH orLM35DH
See NS Package Number H03H
TO-92Plastic Package
DS005516-2
Order Number LM35CZ,LM35CAZ or LM35DZ
See NS Package Number Z03A
SO-8Small Outline Molded Package
DS005516-21
N.C. = No Connection
Top ViewOrder Number LM35DM
See NS Package Number M08A
TO-220Plastic Package*
DS005516-24
*Tab is connected to the negative pin (GND).Note: The LM35DT pinout is different than the discontinued LM35DP.
Order Number LM35DTSee NS Package Number TA03F
LM35
www.national.com 2
Absolute Maximum Ratings (Note 10)
If Military/Aerospace specified devices are required,please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.
Supply Voltage +35V to −0.2VOutput Voltage +6V to −1.0VOutput Current 10 mAStorage Temp.;
TO-46 Package, −60˚C to +180˚CTO-92 Package, −60˚C to +150˚CSO-8 Package, −65˚C to +150˚CTO-220 Package, −65˚C to +150˚C
Lead Temp.:TO-46 Package,
(Soldering, 10 seconds) 300˚C
TO-92 and TO-220 Package,(Soldering, 10 seconds) 260˚C
SO Package (Note 12)Vapor Phase (60 seconds) 215˚CInfrared (15 seconds) 220˚C
ESD Susceptibility (Note 11) 2500VSpecified Operating Temperature Range: TMIN to T MAX(Note 2)
LM35, LM35A −55˚C to +150˚CLM35C, LM35CA −40˚C to +110˚CLM35D 0˚C to +100˚C
Electrical Characteristics(Notes 1, 6)
LM35A LM35CA
Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units
Typical Limit Limit Typical Limit Limit (Max.)
(Note 4) (Note 5) (Note 4) (Note 5)
Accuracy T A=+25˚C ±0.2 ±0.5 ±0.2 ±0.5 ˚C
(Note 7) T A=−10˚C ±0.3 ±0.3 ±1.0 ˚C
T A=TMAX ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 ˚C
T A=TMIN ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.5 ˚C
Nonlinearity T MIN≤TA≤TMAX ±0.18 ±0.35 ±0.15 ±0.3 ˚C
(Note 8)
Sensor Gain T MIN≤TA≤TMAX +10.0 +9.9, +10.0 +9.9, mV/˚C
(Average Slope) +10.1 +10.1
Load Regulation T A=+25˚C ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 mV/mA
(Note 3) 0≤IL≤1 mA T MIN≤TA≤TMAX ±0.5 ±3.0 ±0.5 ±3.0 mV/mA
Line Regulation T A=+25˚C ±0.01 ±0.05 ±0.01 ±0.05 mV/V
(Note 3) 4V≤V S≤30V ±0.02 ±0.1 ±0.02 ±0.1 mV/V
Quiescent Current V S=+5V, +25˚C 56 67 56 67 µA
(Note 9) V S=+5V 105 131 91 114 µA
V S=+30V, +25˚C 56.2 68 56.2 68 µA
V S=+30V 105.5 133 91.5 116 µA
Change of 4V≤VS≤30V, +25˚C 0.2 1.0 0.2 1.0 µA
Quiescent Current 4V≤V S≤30V 0.5 2.0 0.5 2.0 µA
(Note 3)
Temperature +0.39 +0.5 +0.39 +0.5 µA/˚C
Coefficient of
Quiescent Current
Minimum Temperature In circuit of +1.5 +2.0 +1.5 +2.0 ˚C
for Rated Accuracy Figure 1, IL=0
Long Term Stability T J=TMAX, for ±0.08 ±0.08 ˚C
1000 hours
LM35
www.national.com3
Electrical Characteristics(Notes 1, 6)
LM35 LM35C, LM35D
Parameter Conditions Tested Design Tested Design Units
Typical Limit Limit Typical Limit Limit (Max.)
(Note 4) (Note 5) (Note 4) (Note 5)
Accuracy, T A=+25˚C ±0.4 ±1.0 ±0.4 ±1.0 ˚C
LM35, LM35C T A=−10˚C ±0.5 ±0.5 ±1.5 ˚C
(Note 7) T A=TMAX ±0.8 ±1.5 ±0.8 ±1.5 ˚C
T A=TMIN ±0.8 ±1.5 ±0.8 ±2.0 ˚C
Accuracy, LM35D(Note 7)
T A=+25˚C ±0.6 ±1.5 ˚C
TA=TMAX ±0.9 ±2.0 ˚C
TA=TMIN ±0.9 ±2.0 ˚C
Nonlinearity T MIN≤TA≤TMAX ±0.3 ±0.5 ±0.2 ±0.5 ˚C
(Note 8)
Sensor Gain T MIN≤TA≤TMAX +10.0 +9.8, +10.0 +9.8, mV/˚C
(Average Slope) +10.2 +10.2
Load Regulation T A=+25˚C ±0.4 ±2.0 ±0.4 ±2.0 mV/mA
(Note 3) 0≤IL≤1 mA T MIN≤TA≤TMAX ±0.5 ±5.0 ±0.5 ±5.0 mV/mA
Line Regulation T A=+25˚C ±0.01 ±0.1 ±0.01 ±0.1 mV/V
(Note 3) 4V≤V S≤30V ±0.02 ±0.2 ±0.02 ±0.2 mV/V
Quiescent Current V S=+5V, +25˚C 56 80 56 80 µA
(Note 9) V S=+5V 105 158 91 138 µA
V S=+30V, +25˚C 56.2 82 56.2 82 µA
V S=+30V 105.5 161 91.5 141 µA
Change of 4V≤VS≤30V, +25˚C 0.2 2.0 0.2 2.0 µA
Quiescent Current 4V≤V S≤30V 0.5 3.0 0.5 3.0 µA
(Note 3)
Temperature +0.39 +0.7 +0.39 +0.7 µA/˚C
Coefficient of
Quiescent Current
Minimum Temperature In circuit of +1.5 +2.0 +1.5 +2.0 ˚C
for Rated Accuracy Figure 1, IL=0
Long Term Stability T J=TMAX, for ±0.08 ±0.08 ˚C
1000 hours
Note 1: Unless otherwise noted, these specifications apply: −55˚C≤TJ≤+150˚C for the LM35 and LM35A; −40˚≤TJ≤+110˚C for the LM35C and LM35CA; and0˚≤TJ≤+100˚C for the LM35D. VS=+5Vdc and ILOAD=50 µA, in the circuit of Figure 2. These specifications also apply from +2˚C to TMAX in the circuit of Figure 1.Specifications in boldface apply over the full rated temperature range.
Note 2: Thermal resistance of the TO-46 package is 400˚C/W, junction to ambient, and 24˚C/W junction to case. Thermal resistance of the TO-92 package is180˚C/W junction to ambient. Thermal resistance of the small outline molded package is 220˚C/W junction to ambient. Thermal resistance of the TO-220 packageis 90˚C/W junction to ambient. For additional thermal resistance information see table in the Applications section.
Note 3: Regulation is measured at constant junction temperature, using pulse testing with a low duty cycle. Changes in output due to heating effects can becomputed by multiplying the internal dissipation by the thermal resistance.
Note 4: Tested Limits are guaranteed and 100% tested in production.
Note 5: Design Limits are guaranteed (but not 100% production tested) over the indicated temperature and supply voltage ranges. These limits are not used tocalculate outgoing quality levels.
Note 6: Specifications in boldface apply over the full rated temperature range.
Note 7: Accuracy is defined as the error between the output voltage and 10mv/˚C times the device’s case temperature, at specified conditions of voltage, current,and temperature (expressed in ˚C).
Note 8: Nonlinearity is defined as the deviation of the output-voltage-versus-temperature curve from the best-fit straight line, over the device’s rated temperaturerange.
Note 9: Quiescent current is defined in the circuit of Figure 1.
Note 10: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. DC and AC electrical specifications do not apply when operatingthe device beyond its rated operating conditions. See Note 1.
Note 11: Human body model, 100 pF discharged through a 1.5 kΩ resistor.
Note 12: See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” or the section titled “Surface Mount” found in a current NationalSemiconductor Linear Data Book for other methods of soldering surface mount devices.
LM35
www.national.com 4
Typical Performance Characteristics
Thermal ResistanceJunction to Air
DS005516-25
Thermal Time Constant
DS005516-26
Thermal Responsein Still Air
DS005516-27
Thermal Response inStirred Oil Bath
DS005516-28
Minimum SupplyVoltage vs. Temperature
DS005516-29
Quiescent Currentvs. Temperature(In Circuit of Figure 1.)
DS005516-30
Quiescent Currentvs. Temperature(In Circuit of Figure 2.)
DS005516-31
Accuracy vs. Temperature(Guaranteed)
DS005516-32
Accuracy vs. Temperature(Guaranteed)
DS005516-33
LM35
www.national.com5
Typical Performance Characteristics (Continued)
ApplicationsThe LM35 can be applied easily in the same way as otherintegrated-circuit temperature sensors. It can be glued orcemented to a surface and its temperature will be withinabout 0.01˚C of the surface temperature.
This presumes that the ambient air temperature is almost thesame as the surface temperature; if the air temperature weremuch higher or lower than the surface temperature, theactual temperature of the LM35 die would be at an interme-diate temperature between the surface temperature and theair temperature. This is expecially true for the TO-92 plasticpackage, where the copper leads are the principal thermalpath to carry heat into the device, so its temperature mightbe closer to the air temperature than to the surface tempera-ture.
To minimize this problem, be sure that the wiring to theLM35, as it leaves the device, is held at the same tempera-ture as the surface of interest. The easiest way to do this isto cover up these wires with a bead of epoxy which willinsure that the leads and wires are all at the same tempera-ture as the surface, and that the LM35 die’s temperature willnot be affected by the air temperature.
The TO-46 metal package can also be soldered to a metalsurface or pipe without damage. Of course, in that case theV− terminal of the circuit will be grounded to that metal.Alternatively, the LM35 can be mounted inside a sealed-endmetal tube, and can then be dipped into a bath or screwedinto a threaded hole in a tank. As with any IC, the LM35 andaccompanying wiring and circuits must be kept insulated anddry, to avoid leakage and corrosion. This is especially true ifthe circuit may operate at cold temperatures where conden-sation can occur. Printed-circuit coatings and varnishes suchas Humiseal and epoxy paints or dips are often used toinsure that moisture cannot corrode the LM35 or its connec-tions.
These devices are sometimes soldered to a smalllight-weight heat fin, to decrease the thermal time constantand speed up the response in slowly-moving air. On theother hand, a small thermal mass may be added to thesensor, to give the steadiest reading despite small deviationsin the air temperature.
Temperature Rise of LM35 Due To Self-heating (Thermal Resistance, θJA)TO-46, TO-46*, TO-92, TO-92**, SO-8 SO-8** TO-220
no heatsink
small heat fin no heatsink
small heat fin no heatsink
small heat fin no heatsink
Still air 400˚C/W 100˚C/W 180˚C/W 140˚C/W 220˚C/W 110˚C/W 90˚C/W
Moving air 100˚C/W 40˚C/W 90˚C/W 70˚C/W 105˚C/W 90˚C/W 26˚C/W
Still oil 100˚C/W 40˚C/W 90˚C/W 70˚C/W
Stirred oil 50˚C/W 30˚C/W 45˚C/W 40˚C/W
(Clamped to metal,
Infinite heat sink) (24˚C/W) (55˚C/W)
*Wakefield type 201, or 1" disc of 0.020" sheet brass, soldered to case, or similar.**TO-92 and SO-8 packages glued and leads soldered to 1" square of 1/16" printed circuit board with 2 oz. foil or similar.
Noise Voltage
DS005516-34
Start-Up Response
DS005516-35
LM35
www.national.com 6
Typical Applications
CAPACITIVE LOADS
Like most micropower circuits, the LM35 has a limited abilityto drive heavy capacitive loads. The LM35 by itself is able todrive 50 pf without special precautions. If heavier loads areanticipated, it is easy to isolate or decouple the load with aresistor; see Figure 3. Or you can improve the tolerance ofcapacitance with a series R-C damper from output toground; see Figure 4.
When the LM35 is applied with a 200Ω load resistor asshown in Figure 5, Figure 6 or Figure 8 it is relatively immuneto wiring capacitance because the capacitance forms a by-pass from ground to input, not on the output. However, aswith any linear circuit connected to wires in a hostile envi-ronment, its performance can be affected adversely by in-tense electromagnetic sources such as relays, radio trans-mitters, motors with arcing brushes, SCR transients, etc, asits wiring can act as a receiving antenna and its internaljunctions can act as rectifiers. For best results in such cases,a bypass capacitor from VIN to ground and a series R-Cdamper such as 75Ω in series with 0.2 or 1 µF from output toground are often useful. These are shown in Figure 13,Figure 14, and Figure 16.
DS005516-19
FIGURE 3. LM35 with Decoupling from Capacitive Load
DS005516-20
FIGURE 4. LM35 with R-C Damper
DS005516-5
FIGURE 5. Two-Wire Remote Temperature Sensor(Grounded Sensor)
DS005516-6
FIGURE 6. Two-Wire Remote Temperature Sensor(Output Referred to Ground)
DS005516-7
FIGURE 7. Temperature Sensor, Single Supply, −55˚ to+150˚C
DS005516-8
FIGURE 8. Two-Wire Remote Temperature Sensor(Output Referred to Ground)
DS005516-9
FIGURE 9. 4-To-20 mA Current Source (0˚C to +100˚C)
LM35
www.national.com7
Typical Applications (Continued)
DS005516-10
FIGURE 10. Fahrenheit Thermometer
DS005516-11
FIGURE 11. Centigrade Thermometer (Analog Meter)
DS005516-12
FIGURE 12. Fahrenheit ThermometerExpanded ScaleThermometer
(50˚ to 80˚ Fahrenheit, for Example Shown)
DS005516-13
FIGURE 13. Temperature To Digital Converter (Serial Output) (+128˚C Full Scale)
DS005516-14
FIGURE 14. Temperature To Digital Converter (Parallel TRI-STATE ™ Outputs forStandard Data Bus to µP Interface) (128˚C Full Scale)
LM35
www.national.com 8
Typical Applications (Continued)
DS005516-16
*=1% or 2% film resistorTrim RB for VB=3.075VTrim RC for VC=1.955VTrim RA for VA=0.075V + 100mV/˚C x TambientExample, VA=2.275V at 22˚C
FIGURE 15. Bar-Graph Temperature Display (Dot Mode)
DS005516-15
FIGURE 16. LM35 With Voltage-To-Frequency Converter And Isolated Output(2˚C to +150˚C; 20 Hz to 1500 Hz)
LM35
www.national.com9
Block Diagram
DS005516-23
LM35
www.national.com 10
Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted
TO-46 Metal Can Package (H)Order Number LM35H, LM35AH, LM35CH,
LM35CAH, or LM35DHNS Package Number H03H
SO-8 Molded Small Outline Package (M)Order Number LM35DM
NS Package Number M08A
LM35
www.national.com11
Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)
Power Package TO-220 (T)Order Number LM35DT
NS Package Number TA03F
LM35
www.national.com 12
Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)
LIFE SUPPORT POLICY
NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORTDEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERALCOUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:
1. Life support devices or systems are devices orsystems which, (a) are intended for surgical implantinto the body, or (b) support or sustain life, andwhose failure to perform when properly used inaccordance with instructions for use provided in thelabeling, can be reasonably expected to result in asignificant injury to the user.
2. A critical component is any component of a lifesupport device or system whose failure to performcan be reasonably expected to cause the failure ofthe life support device or system, or to affect itssafety or effectiveness.
National SemiconductorCorporationAmericasTel: 1-800-272-9959Fax: 1-800-737-7018Email: support@nsc.com
National SemiconductorEurope
Fax: +49 (0) 180-530 85 86Email: europe.support@nsc.com
Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171Français Tel: +33 (0) 1 41 91 8790
National SemiconductorAsia Pacific CustomerResponse GroupTel: 65-2544466Fax: 65-2504466Email: ap.support@nsc.com
National SemiconductorJapan Ltd.Tel: 81-3-5639-7560Fax: 81-3-5639-7507
www.national.com
TO-92 Plastic Package (Z)Order Number LM35CZ, LM35CAZ or LM35DZ
NS Package Number Z03A
LM35
Precision
Centigrade
Temperature
Sensors
National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.
LM741Operational AmplifierGeneral DescriptionThe LM741 series are general purpose operational amplifi-ers which feature improved performance over industry stan-dards like the LM709. They are direct, plug-in replacementsfor the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications.
The amplifiers offer many features which make their applica-tion nearly foolproof: overload protection on the input andoutput, no latch-up when the common mode range is ex-ceeded, as well as freedom from oscillations.
The LM741C is identical to the LM741/LM741A except thatthe LM741C has their performance guaranteed over a 0˚C to+70˚C temperature range, instead of −55˚C to +125˚C.
Connection Diagrams
Typical Application
Metal Can Package
DS009341-2
Note 1: LM741H is available per JM38510/10101
Order Number LM741H, LM741H/883 (Note 1),LM741AH/883 or LM741CH
See NS Package Number H08C
Dual-In-Line or S.O. Package
DS009341-3
Order Number LM741J, LM741J/883, LM741CNSee NS Package Number J08A, M08A or N08E
Ceramic Flatpak
DS009341-6
Order Number LM741W/883See NS Package Number W10A
Offset Nulling Circuit
DS009341-7
August 2000LM
741O
perationalAm
plifier
© 2000 National Semiconductor Corporation DS009341 www.national.com
Absolute Maximum Ratings (Note 2)
If Military/Aerospace specified devices are required, please contact the National Semiconductor Sales Office/Distributors for availability and specifications.
(Note 7)
LM741A LM741 LM741CSupply Voltage ±22V ±22V ±18VPower Dissipation (Note 3) 500 mW 500 mW 500 mWDifferential Input Voltage ±30V ±30V ±30VInput Voltage (Note 4) ±15V ±15V ±15VOutput Short Circuit Duration Continuous Continuous ContinuousOperating Temperature Range −55˚C to +125˚C −55˚C to +125˚C 0˚C to +70˚CStorage Temperature Range −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚C −65˚C to +150˚CJunction Temperature 150˚C 150˚C 100˚CSoldering Information
N-Package (10 seconds) 260˚C 260˚C 260˚CJ- or H-Package (10 seconds) 300˚C 300˚C 300˚CM-Package
Vapor Phase (60 seconds) 215˚C 215˚C 215˚CInfrared (15 seconds) 215˚C 215˚C 215˚C
See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” for other methods of solderingsurface mount devices.ESD Tolerance (Note 8) 400V 400V 400V
Electrical Characteristics (Note 5)
Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units
Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max
Input Offset Voltage TA = 25˚C
RS ≤ 10 kΩ 1.0 5.0 2.0 6.0 mV
RS ≤ 50Ω 0.8 3.0 mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
RS ≤ 50Ω 4.0 mV
RS ≤ 10 kΩ 6.0 7.5 mV
Average Input Offset 15 µV/˚C
Voltage Drift
Input Offset Voltage TA = 25˚C, VS = ±20V ±10 ±15 ±15 mV
Adjustment Range
Input Offset Current TA = 25˚C 3.0 30 20 200 20 200 nA
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 70 85 500 300 nA
Average Input Offset 0.5 nA/˚C
Current Drift
Input Bias Current TA = 25˚C 30 80 80 500 80 500 nA
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 0.210 1.5 0.8 µA
Input Resistance TA = 25˚C, VS = ±20V 1.0 6.0 0.3 2.0 0.3 2.0 MΩTAMIN ≤ TA ≤ TAMAX, 0.5 MΩVS = ±20V
Input Voltage Range TA = 25˚C ±12 ±13 V
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX ±12 ±13 V
LM74
1
www.national.com 2
Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)
Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units
Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max
Large Signal Voltage Gain TA = 25˚C, RL ≥ 2 kΩVS = ±20V, VO = ±15V 50 V/mV
VS = ±15V, VO = ±10V 50 200 20 200 V/mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
RL ≥ 2 kΩ,
VS = ±20V, VO = ±15V 32 V/mV
VS = ±15V, VO = ±10V 25 15 V/mV
VS = ±5V, VO = ±2V 10 V/mV
Output Voltage Swing VS = ±20V
RL ≥ 10 kΩ ±16 V
RL ≥ 2 kΩ ±15 V
VS = ±15V
RL ≥ 10 kΩ ±12 ±14 ±12 ±14 V
RL ≥ 2 kΩ ±10 ±13 ±10 ±13 V
Output Short Circuit TA = 25˚C 10 25 35 25 25 mA
Current TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX 10 40 mA
Common-Mode TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Rejection Ratio RS ≤ 10 kΩ, VCM = ±12V 70 90 70 90 dB
RS ≤ 50Ω, VCM = ±12V 80 95 dB
Supply Voltage Rejection TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
Ratio VS = ±20V to VS = ±5V
RS ≤ 50Ω 86 96 dB
RS ≤ 10 kΩ 77 96 77 96 dB
Transient Response TA = 25˚C, Unity Gain
Rise Time 0.25 0.8 0.3 0.3 µs
Overshoot 6.0 20 5 5 %
Bandwidth (Note 6) TA = 25˚C 0.437 1.5 MHz
Slew Rate TA = 25˚C, Unity Gain 0.3 0.7 0.5 0.5 V/µs
Supply Current TA = 25˚C 1.7 2.8 1.7 2.8 mA
Power Consumption TA = 25˚C
VS = ±20V 80 150 mW
VS = ±15V 50 85 50 85 mW
LM741A VS = ±20V
TA = TAMIN 165 mW
TA = TAMAX 135 mW
LM741 VS = ±15V
TA = TAMIN 60 100 mW
TA = TAMAX 45 75 mW
Note 2: “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device isfunctional, but do not guarantee specific performance limits.
LM741
www.national.com3
Electrical Characteristics (Note 5) (Continued)
Note 3: For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and Tj max. (listed under “Absolute Maximum Rat-ings”). Tj = TA + (θjA PD).
Thermal Resistance Cerdip (J) DIP (N) HO8 (H) SO-8 (M)
θjA (Junction to Ambient) 100˚C/W 100˚C/W 170˚C/W 195˚C/W
θjC (Junction to Case) N/A N/A 25˚C/W N/A
Note 4: For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage.
Note 5: Unless otherwise specified, these specifications apply for VS = ±15V, −55˚C ≤ TA ≤ +125˚C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifica-tions are limited to 0˚C ≤ TA ≤ +70˚C.
Note 6: Calculated value from: BW (MHz) = 0.35/Rise Time(µs).
Note 7: For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A.
Note 8: Human body model, 1.5 kΩ in series with 100 pF.
Schematic Diagram
DS009341-1
LM74
1
www.national.com 4
Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted
Metal Can Package (H)Order Number LM741H, LM741H/883, LM741AH/883, LM741AH-MIL or LM741CH
NS Package Number H08C
Ceramic Dual-In-Line Package (J)Order Number LM741J/883NS Package Number J08A
LM741
www.national.com5
Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued)
Dual-In-Line Package (N)Order Number LM741CN
NS Package Number N08E
10-Lead Ceramic Flatpak (W)Order Number LM741W/883, LM741WG-MPR or LM741WG/883
NS Package Number W10A
LM74
1
www.national.com 6
Notes
LIFE SUPPORT POLICY
NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORTDEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERALCOUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:
1. Life support devices or systems are devices orsystems which, (a) are intended for surgical implantinto the body, or (b) support or sustain life, andwhose failure to perform when properly used inaccordance with instructions for use provided in thelabeling, can be reasonably expected to result in asignificant injury to the user.
2. A critical component is any component of a lifesupport device or system whose failure to performcan be reasonably expected to cause the failure ofthe life support device or system, or to affect itssafety or effectiveness.
National SemiconductorCorporationAmericasTel: 1-800-272-9959Fax: 1-800-737-7018Email: support@nsc.com
National SemiconductorEurope
Fax: +49 (0) 180-530 85 86Email: europe.support@nsc.com
Deutsch Tel: +49 (0) 69 9508 6208English Tel: +44 (0) 870 24 0 2171Français Tel: +33 (0) 1 41 91 8790
National SemiconductorAsia Pacific CustomerResponse GroupTel: 65-2544466Fax: 65-2504466Email: ap.support@nsc.com
National SemiconductorJapan Ltd.Tel: 81-3-5639-7560Fax: 81-3-5639-7507
www.national.com
LM741
OperationalA
mplifier
National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.
PACKAGE SCHEMATIC
6/15/05
Page 1 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
DESCRIPTION
The MOC301XM and MOC302XM series are optically isolated triac driver devices. These devices contain a GaAs infrared emitting diode and a light activated silicon bilateral switch, which functions like a triac. They are designed for interfacing between electronic controls and power triacs to control resistive and inductive loads for 115 VAC operations.
FEATURES
• Excellent I
FT
stability—IR emitting diode has low degradation• High isolation voltage—minimum 5300 VAC RMS• Underwriters Laboratory (UL) recognized—File #E90700• Peak blocking voltage
– 250V-MOC301XM– 400V-MOC302XM
• VDE recognized (File #94766)– Ordering option V (e.g. MOC3023VM)
APPLICATIONS
• Industrial controls • Solenoid/valve controls• Traffic lights • Static AC power switch• Vending machines • Incandescent lamp dimmers• Solid state relay • Motor control• Lamp ballasts
6
1
6
6
1
1
MAIN TERM.
NC*
N/C
*DO NOT CONNECT(TRIAC SUBSTRATE)
1
2
3
ANODE
CATHODE
4
5
6 MAIN TERM.
6/15/05
Page 2 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
Note
1. Isolation surge voltage, V
ISO
, is an internal device dielectric breakdown rating. For this test, Pins 1 and 2 are common, and Pins 4, 5 and 6 are common.
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
(T
A
= 25°C unless otherwise noted)
Parameters Symbol Device Value Units
TOTAL DEVICE
Storage Temperature T
STG
All -40 to +150 °C
Operating Temperature T
OPR
All -40 to +85 °C
Lead Solder Temperature T
SOL
All 260 for 10 sec °C
Junction Temperature Range T
J
All -40 to +100 °C
Isolation Surge Voltage
(1)
(peak AC voltage, 60Hz, 1 sec duration)
V
ISO
All 7500 Vac(pk)
Total Device Power Dissipation @ 25°CP
D
All330 mW
Derate above 25°C 4.4 mW/°C
EMITTER
Continuous Forward Current I
F
All 60 mA
Reverse Voltage V
R
All 3 V
Total Power Dissipation 25°C AmbientP
D
All100 mW
Derate above 25°C 1.33 mW/°C
DETECTOR
Off-State Output Terminal Voltage V
DRM
MOC3010M/1M/2MMOC3020M/1M/2M/3M
250400
V
Peak Repetitive Surge Current (PW = 1 ms, 120 pps) I
TSM
All 1 A
Total Power Dissipation @ 25°C AmbientP
D
All300 mW
Derate above 25°C 4 mW/°C
6/15/05
Page 3 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
Note
1. Test voltage must be applied within dv/dt rating.
2. This is static dv/dt. See Figure 5 for test circuit. Commutating dv/dt is a function of the load-driving thyristor(s) only.
3. All devices are guaranteed to trigger at an I
F
value less than or equal to max I
FT
. Therefore, recommended operating I
F
lies between max I
FT
(30 mA for MOC3020M, 15 mA for MOC3010M and MOC3021M, 10 mA for MOC3011M and MOC3022M, 5 mA for MOC3012M and MOC3023M) and absolute max I
F
(60 mA).
ELECTRICAL CHARACTERISTICS
(T
A
= 25°C Unless otherwise specified)
INDIVIDUAL COMPONENT CHARACTERISTICS
Parameters Test Conditions Symbol Device Min Typ Max Units
EMITTER
Input Forward Voltage I
F
= 10 mA V
F
All 1.15 1.5 V
Reverse Leakage Current V
R
= 3 V, T
A
= 25°C I
R
All 0.01 100 µA
DETECTOR
Peak Blocking Current,Either Direction Rated V
DRM
, I
F
= 0 (note 1) I
DRM
All 10 100 nA
Peak On-State Voltage,Either Direction I
TM
= 100 mA peak, I
F
= 0 V
TM
All 1.8 3 V
TRANSFER CHARACTERISTICS
(T
A
= 25°C Unless otherwise specified.)
DC Characteristics Test Conditions Symbol Device Min Typ Max Units
LED Trigger Current Voltage = 3V (note 3) I
FT
MOC3020M 30
mA
MOC3010M15
MOC3021M
MOC3011M10
MOC3022M
MOC3012M5
MOC3023M
Holding Current, Either Direction I
H
All 100 µA
6/15/05
Page 4 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
AMBIENT TEMPERATURE - TA (oC)
-40 -20 0 20 40 60 80 100
TR
IGG
ER
CU
RR
EN
T -
IF
T (
NO
RM
ALI
ZE
D)
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
IF - LED FORWARD CURRENT (mA)
1 10 100
VF -
FO
RW
AR
D V
OLT
AG
E (
V)
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
TA = -55oC
TA = 25oC
TA = 100oC
ON-STATE VOLTAGE - V TM (V)
-3 -2 -1 0 1 2 3O
N-S
TAT
E C
UR
RE
NT
- I
TM (
mA
)-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
TA, AMBIENT TEMPERATURE ( oC)
-40 -20 0 20 40 60 80 100
I DR
M, L
EA
KA
GE
CU
RR
EN
T (
nA)
0.1
1
10
100
1000
10000
NORMALIZED TO TA = 25∞C
Fig. 1 LED Forward Voltage vs. Forward Current
Fig. 3 Trigger Current vs. Ambient Temperature
LED TRIGGER WIDTH - PWin (µs)
1 2 5 10 20 50 100
TR
IGG
ER
CU
RR
EN
T -
IF
T (
NO
RM
ALI
ZE
D)
0
5
10
15
20
25
NORMALIZED TO:PWin ≥ 100 µs
Fig. 4 LED Current Required to Trigger vs. LED Pulse Width
Fig. 6 Leakage Current, IDRM vs. Temperature
Fig. 2 On-State Characteristics
Ambient Temperature - TA (oC)
25 30 40 6050 70 80 90 100
STA
TIC
- d
v/dt
(V
/µs)
0
2
4
6
8
10
12
STATIC dv/dtCIRCUIT IN FIGURE 5
Fig. 5 dv/dt vs. Temperature
6/15/05
Page 5 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
1. The mercury wetted relay provides a high speed repeated pulse to the D.U.T.
2. 100x scope probes are used, to allow high speeds and voltages.
3. The worst-case condition for static dv/dt is established by triggering the D.U.T. with a normal LED input current, then removing the current. The variable R
TEST
allows the dv/dt to be gradually increased until the D.U.T. continues to trigger in response to the applied voltage pulse, even after the LED current has been removed. The dv/dt is then decreased until the D.U.T. stops triggering.
τ
RC
is measured at this point and recorded.
Note: This optoisolator should not be used to drive a load directly. It is intended to be a trigger device only.
Vdc
400V (MOC302X)250V (MOC301X)
R = 10 kΩ
CTEST
X100SCOPEPROBE
PULSEINPUT MERCURY
WETTEDRELAY
RTEST
D.U.T.D.U.T.
Figure 5. Static dv/dt Test Circuit
252 V (MOC302X)158 V (MOC301X)
0 VOLTS
APPLIED VOLTAGEWAVEFORM
Vmax =
dv/dt = 0.63 Vmax =
252
τRC
τRC τRC
400 V (MOC302X)= 250 V (MOC301X)
(MOC302X)
= 158τRC
(MOC301X)
Figure 6. Resistive Load
Figure 7. Inductive Load with Sensitive Gate Triac (IGT ≤ 15 mA)
VCC
Rin 1
2
3
6
5
4
0.1 µF
180
C1
2.4k
ZL
120 V60 HzMOC3010M
MOC3011MMOC3012M
VCC
Rin 1
2
3
6
5
4
120 V60 Hz
180
RL
MOC3010MMOC3011MMOC3012M
6/15/05
Page 6 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
Figure 9. Typical Application Circuit
VCC
Rin 1
2
3
6
5
4
0.05 µF
0.01 µF
LOAD
360
39
470
240VAC
HOT
GROUND
MOC3020MMOC3021MMOC3022MMOC3023M
Figure 8. Inductive Load with Sensitive Gate Triac (IGT ≤ 15 mA)
RinVCC
1
2
3
6
5
4
0.2 µF
180
C1
1.2 k
ZL
120 V60 HzMOC3010M
MOC3011MMOC3012M
In this circuit the “hot” side of the line is switched and the load connected to the cold or ground side.
The 39 ohm resistor and 0.01µF capacitor are for snubbing of the triac, and the 470 ohm resistor and 0.05 µF capacitor are for snubbing the coupler. These components may or may not be necessary depending upon the particular and load used.
6/15/05
Page 7 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
NOTE
All dimensions are in inches (millimeters)
Package Dimensions (Through Hole) Package Dimensions (Surface Mount)
Package Dimensions (0.4” Lead Spacing) Recommended Pad Layout forSurface Mount Leadform
0.350 (8.89)0.320 (8.13)
0.260 (6.60)0.240 (6.10)
0.320 (8.13)
0.070 (1.77)0.040 (1.02)
0.014 (0.36)0.010 (0.25)
0.200 (5.08)0.115 (2.93)
0.100 (2.54)0.015 (0.38)
0.020 (0.50)0.016 (0.41) 0.100 (2.54)
15°
0.012 (0.30)
0.350 (8.89)0.320 (8.13)
0.260 (6.60)0.240 (6.10)
0.390 (9.90)0.332 (8.43)
0.070 (1.77)0.040 (1.02)
0.014 (0.36)0.010 (0.25)
0.320 (8.13)
0.035 (0.88)0.012 (0.30)
0.012 (0.30)0.008 (0.20)
0.200 (5.08)0.115 (2.93)
0.025 (0.63)0.020 (0.51)
0.020 (0.50)0.016 (0.41)
0.100 [2.54]
0.350 (8.89)0.320 (8.13)
0.260 (6.60)0.240 (6.10)
0.070 (1.77)0.040 (1.02)
0.014 (0.36)0.010 (0.25)
0.200 (5.08)0.115 (2.93)
0.020 (0.50)0.016 (0.41)
0.100 [2.54]
0.100 (2.54)0.015 (0.38)
0.012 (0.30)0.008 (0.21)
0.425 (10.80)0.400 (10.16)
0.070 (1.78)
0.060 (1.52)
0.030 (0.76)
0.100 (2.54)
0.305 (7.75)
0.425 (10.79)
6/15/05
Page 8 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
ORDERING INFORMATION
MARKING INFORMATION
Option Order Entry Identifier Description
S S Surface Mount Lead Bend
SR2 SR2 Surface Mount; Tape and reel
T T 0.4" Lead Spacing
V V VDE 0884
TV TV VDE 0884, 0.4" Lead Spacing
SV SV VDE 0884, Surface Mount
SR2V SR2V VDE 0884, Surface Mount, Tape & Reel
MOC3010
V X YY Q
1
2
6
43 5
*Note – Parts that do not have the ‘V’ option (see definition 3 above) that are marked with date code ‘325’ or earlier are marked in portrait format.
Definitions
1 Fairchild logo
2 Device number
3VDE mark (Note: Only appears on parts ordered with VDE option – See order entry table)
4 One digit year code, e.g., ‘3’
5 Two digit work week ranging from ‘01’ to ‘53’
6 Assembly package code
6/15/05
Page 9 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
NOTE
All dimensions are in inches (millimeters)
Reflow Profile (White Package, -M Suffix)
Carrier Tape Specifications
4.0 ± 0.1
Ø1.5 MIN
User Direction of Feed
2.0 ± 0.05
1.75 ± 0.10
11.5 ± 1.0
24.0 ± 0.3
12.0 ± 0.1
0.30 ± 0.05
21.0 ± 0.1
4.5 ± 0.20
0.1 MAX 10.1 ± 0.20
9.1 ± 0.20
Ø1.5 ± 0.1/-0
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
°C
Time (s)
0 60 180120 270
260°C
>245°C = 42 Sec
Time above 183°C = 90 Sec
360
1.822°C/Sec Ramp up rate
33 Sec
LIFE SUPPORT POLICY
FAIRCHILD’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT OF FAIRCHILD SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein:
1. Life support devices or systems are devices or systemswhich, (a) are intended for surgical implant into the body, or(b) support or sustain life, and (c) whose failure to performwhen properly used in accordance with instructions for useprovided in the labeling, can be reasonably expected toresult in a significant injury of the user.
2. A critical component in any component of a life supportdevice or system whose failure to perform can bereasonably expected to cause the failure of the life supportdevice or system, or to affect its safety or effectiveness.
DISCLAIMER
FAIRCHILD SEMICONDUCTOR RESERVES THE RIGHT TO MAKE CHANGES WITHOUT FURTHER NOTICE TO ANY PRODUCTS HEREIN TO IMPROVE RELIABILITY, FUNCTION OR DESIGN. FAIRCHILD DOES NOT ASSUME ANY LIABILITY ARISING OUT OF THE APPLICATION OR USE OF ANY PRODUCT OR CIRCUIT DESCRIBED HEREIN; NEITHER DOES IT CONVEY ANY LICENSE UNDER ITS PATENT RIGHTS, NOR THE RIGHTS OF OTHERS.
6/15/05
Page 10 of 10
© 2005 Fairchild Semiconductor Corporation
6-PIN DIP RANDOM-PHASEOPTOISOLATORS TRIAC DRIVER OUTPUT
(250/400 VOLT PEAK)
MOC3010M MOC3011M MOC3012M MOC3020M MOC3021M MOC3022M MOC3023M
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
GENERAL DESCRIPTION QUICK REFERENCE DATA
Glass passivated triacs in a plastic SYMBOL PARAMETER MAX. MAX. MAX. UNITenvelope, intended for use inapplications requiring high BT139- 500 600 800bidirectional transient and blocking BT139- 500F 600F 800Fvoltage capability and high thermal BT139- 500G 600G 800Gcycling performance. Typical VDRM Repetitive peak off-state 500 600 800 Vapplications include motor control, voltagesindustrial and domestic lighting, IT(RMS) RMS on-state current 16 16 16 Aheating and static switching. ITSM Non-repetitive peak on-state 140 140 140 A
current
PINNING - TO220AB PIN CONFIGURATION SYMBOL
PIN DESCRIPTION
1 main terminal 1
2 main terminal 2
3 gate
tab main terminal 2
LIMITING VALUESLimiting values in accordance with the Absolute Maximum System (IEC 134).
SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. MAX. UNIT
-500 -600 -800VDRM Repetitive peak off-state - 5001 6001 800 V
voltages
IT(RMS) RMS on-state current full sine wave; Tmb ≤ 99 ˚C - 16 AITSM Non-repetitive peak full sine wave; Tj = 25 ˚C prior to
on-state current surget = 20 ms - 140 At = 16.7 ms - 150 A
I2t I2t for fusing t = 10 ms - 98 A2sdIT/dt Repetitive rate of rise of ITM = 20 A; IG = 0.2 A;
on-state current after dIG/dt = 0.2 A/µstriggering T2+ G+ - 50 A/µs
T2+ G- - 50 A/µsT2- G- - 50 A/µsT2- G+ - 10 A/µs
IGM Peak gate current - 2 AVGM Peak gate voltage - 5 VPGM Peak gate power - 5 WPG(AV) Average gate power over any 20 ms period - 0.5 WTstg Storage temperature -40 150 ˚CTj Operating junction - 125 ˚C
temperature
T1T2
G1 2 3
tab
1 Although not recommended, off-state voltages up to 800V may be applied without damage, but the triac mayswitch to the on-state. The rate of rise of current should not exceed 15 A/µs.
September 1997 1 Rev 1.200
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
THERMAL RESISTANCESSYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. TYP. MAX. UNIT
Rth j-mb Thermal resistance full cycle - - 1.2 K/Wjunction to mounting base half cycle - - 1.7 K/W
Rth j-a Thermal resistance in free air - 60 - K/Wjunction to ambient
STATIC CHARACTERISTICSTj = 25 ˚C unless otherwise stated
SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. TYP. MAX. UNIT
BT139- ... ...F ...GIGT Gate trigger current VD = 12 V; IT = 0.1 A
T2+ G+ - 5 35 25 50 mAT2+ G- - 8 35 25 50 mAT2- G- - 10 35 25 50 mAT2- G+ - 22 70 70 100 mA
IL Latching current VD = 12 V; IGT = 0.1 AT2+ G+ - 7 40 40 60 mAT2+ G- - 20 60 60 90 mAT2- G- - 8 40 40 60 mAT2- G+ - 10 60 60 90 mA
IH Holding current VD = 12 V; IGT = 0.1 A - 6 30 30 60 mA
VT On-state voltage IT = 20 A - 1.2 1.6 VVGT Gate trigger voltage VD = 12 V; IT = 0.1 A - 0.7 1.5 V
VD = 400 V; IT = 0.1 A; 0.25 0.4 - VTj = 125 ˚C
ID Off-state leakage current VD = VDRM(max); - 0.1 0.5 mATj = 125 ˚C
DYNAMIC CHARACTERISTICSTj = 25 ˚C unless otherwise stated
SYMBOL PARAMETER CONDITIONS MIN. TYP. MAX. UNIT
BT139- ... ...F ...GdVD/dt Critical rate of rise of VDM = 67% VDRM(max); 100 50 200 250 - V/µs
off-state voltage Tj = 125 ˚C; exponentialwaveform; gate opencircuit
dVcom/dt Critical rate of change of VDM = 400 V; Tj = 95 ˚C; - - 10 20 - V/µscommutating voltage IT(RMS) = 16 A;
dIcom/dt = 7.2 A/ms; gateopen circuit
tgt Gate controlled turn-on ITM = 20 A; VD = VDRM(max); - - - 2 - µstime IG = 0.1 A; dIG/dt = 5 A/µs
September 1997 2 Rev 1.200
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
Fig.1. Maximum on-state dissipation, Ptot, versus rmson-state current, IT(RMS), where α = conduction angle.
Fig.2. Maximum permissible non-repetitive peakon-state current ITSM, versus pulse width tp, for
sinusoidal currents, tp ≤ 20ms.
Fig.3. Maximum permissible non-repetitive peakon-state current ITSM, versus number of cycles, for
sinusoidal currents, f = 50 Hz.
Fig.4. Maximum permissible rms current IT(RMS) ,versus mounting base temperature Tmb.
Fig.5. Maximum permissible repetitive rms on-statecurrent IT(RMS), versus surge duration, for sinusoidal
currents, f = 50 Hz; Tmb ≤ 99˚C.
Fig.6. Normalised gate trigger voltageVGT(Tj)/ VGT(25˚C), versus junction temperature Tj.
0 5 10 15 200
5
10
15
20
25
= 180
120
90
60
30
BT139
IT(RMS) / A
Ptot / W Tmb(max) / C
125
119
113
107
101
95
1
-50 0 50 100 1500
5
10
15
20BT139
99 C
Tmb / C
IT(RMS) / A
10us 100us 1ms 10ms 100ms10
100
1000BT139
T / s
ITSM / A
TITSM
time
I
Tj initial = 25 C max
T
dI /dt limitT
T2- G+ quadrant
0.01 0.1 1 100
10
20
30
40
50BT139
surge duration / s
IT(RMS) / A
1 10 100 10000
50
100
150BT139
Number of cycles at 50Hz
ITSM / A
TITSM
time
I
Tj initial = 25 C max
T
-50 0 50 100 1500.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6BT136
Tj / C
VGT(Tj)VGT(25 C)
September 1997 3 Rev 1.200
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
Fig.7. Normalised gate trigger currentIGT(Tj)/ IGT(25˚C), versus junction temperature Tj.
Fig.8. Normalised latching current IL(Tj)/ IL(25˚C),versus junction temperature Tj.
Fig.9. Normalised holding current IH(Tj)/ IH(25˚C),versus junction temperature Tj.
Fig.10. Typical and maximum on-state characteristic.
Fig.11. Transient thermal impedance Zth j-mb, versuspulse width tp.
Fig.12. Typical commutation dV/dt versus junctiontemperature, parameter commutation dIT/dt. The triacshould commutate when the dV/dt is below the valueon the appropriate curve for pre-commutation dIT/dt.
-50 0 50 100 1500
0.5
1
1.5
2
2.5
3BT139
Tj / C
T2+ G+T2+ G-T2- G-T2- G+
IGT(Tj)IGT(25 C)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
10
20
30
40
50BT139
VT / V
IT / A
Tj = 125 CTj = 25 C
typ maxVo = 1.195 VRs = 0.018 Ohms
-50 0 50 100 1500
0.5
1
1.5
2
2.5
3TRIAC
Tj / C
IL(Tj)IL(25 C)
0.001
0.01
0.1
1
10BT139
tp / s
Zth j-mb (K/W)
10us 0.1ms 1ms 10ms 0.1s 1s 10s
tpP
t
D
unidirectional
bidirectional
-50 0 50 100 1500
0.5
1
1.5
2
2.5
3TRIAC
Tj / C
IH(Tj)IH(25C)
0 50 100 1501
10
100
1000
Tj / C
9.3
dV/dt (V/us)
5.6
dIcom/dt =20 A/ms 16
off-state dV/dt limit
BT139 SERIES
BT139...F SERIES
12 7.2
BT139...G SERIES
September 1997 4 Rev 1.200
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
MECHANICAL DATA
Dimensions in mm
Net Mass: 2 g
Fig.13. TO220AB; pin 2 connected to mounting base.
Notes1. Refer to mounting instructions for TO220 envelopes.2. Epoxy meets UL94 V0 at 1/8".
10,3max
3,7
2,8
3,03,0 maxnot tinned
1,3max(2x)
1 2 3
2,40,6
4,5max
5,9min
15,8max
1,3
2,54 2,54
0,9 max (3x)
13,5min
September 1997 5 Rev 1.200
Philips Semiconductors Product specification
Triacs BT139 series
DEFINITIONS
Data sheet status
Objective specification This data sheet contains target or goal specifications for product development.
Preliminary specification This data sheet contains preliminary data; supplementary data may be published later.
Product specification This data sheet contains final product specifications.
Limiting values
Limiting values are given in accordance with the Absolute Maximum Rating System (IEC 134). Stress above oneor more of the limiting values may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only andoperation of the device at these or at any other conditions above those given in the Characteristics sections ofthis specification is not implied. Exposure to limiting values for extended periods may affect device reliability.
Application information
Where application information is given, it is advisory and does not form part of the specification.
Philips Electronics N.V. 1997
All rights are reserved. Reproduction in whole or in part is prohibited without the prior written consent of thecopyright owner.
The information presented in this document does not form part of any quotation or contract, it is believed to beaccurate and reliable and may be changed without notice. No liability will be accepted by the publisher for anyconsequence of its use. Publication thereof does not convey nor imply any license under patent or otherindustrial or intellectual property rights.
LIFE SUPPORT APPLICATIONSThese products are not designed for use in life support appliances, devices or systems where malfunction of theseproducts can be reasonably expected to result in personal injury. Philips customers using or selling these productsfor use in such applications do so at their own risk and agree to fully indemnify Philips for any damages resultingfrom such improper use or sale.
September 1997 6 Rev 1.200