8

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

3.1. Perangkat Keras Sistem

Perangkat Keras Sistem terdiri dari 5 modul, yaitu Modul Sumber, Modul

Mikrokontroler, Modul Pemanas, Modul Sensor Suhu, dan Modul Pilihan Menu.

3.1.1. Modul Sumber

Pada modul ini digunakan sebuah transformator untuk menurunkan tegangan dan

rangkaian jembatan dioda untuk mengubah tegangan AC menjadi DC yang nantinya

akan digunakan untuk memberikan tegangan sebesar 5 volt ke modul mikrokontroler,

modul sensor suhu, modul LCD, dan modul pilihan menu. Diperlukan juga tegangan

sebesar 15 volt untuk TLP250 yang akan digunakan sebagai driver IGBT.

Tegangan diturunkan dari 220 volt AC menjadi 15 volt DC dan 5 volt DC.

Komponen yang digunakan adalah LM 7815 dan LM 7805.

Gambar 3.1. Modul Sumber

3.1.2. Modul Mikrokontroler

Modul ini menggunakan IC Atmega 8535 yang akan digunakan sebagai modul

kontrol dan pembangkit PWM. Modul kontrol akan menerima data dari sensor suhu dan

tombol pilihan menu, kemudian mengirimkan data untuk ditampilkan di LCD.

Modul mikrokontroler ini juga merupakan pembangkit PWM yang akan digunakan

untuk driver IGBT. Pin PD5 sebagai keluaran PWM terhubung dengan masukan dari

optocoupler.

9

Gambar 3.2. Modul Mikrokontroler

3.1.3. Modul Pemanas

Modul ini pada gambar 3.3 merupakan modul utama rangkaian kompor induksi.

Modul ini terbagi menjadi beberapa bagian:

10

Gambar 3.3. Modul Pemanas

1. Sumber

Sumber AC PLN sebesar 220 volt AC akan dilewatkan jembatan dioda

sehingga akan menjadi tegangan DC.

VDC = Vs 𝑥 √2 …..................................................................................... (3.1)

Dimana: VDC = Tegangan DC (volt)

Vs = Tegangan sumber AC (volt)

VDC = 220 volt 𝑥 √2

= 311,127 volt DC

2. Filter

Tegangan DC tersebut akan diteruskan ke rangkaian filter LPF untuk

menghambat frekuensi tinggi agar tidak mengganggu sistem serta

mengurangi ripple dengan menggunakan rumus:

f =1

2𝜋√(𝐿𝐶) ………………………….………………………. (3.2)

Dimana: f = Frekuensi cut-off (Hz)

L = Induktaksi (H)

C = Kapasitansi (F)

f =1

2𝜋√(𝐿𝐶)=

1

2𝜋√(0,3. 10−3 𝐻 𝑥 9,9. 10−6 𝐹)= 2,9 kHz

11

3. Kumparan

Kumparan yang digunakan adalah kumparan dengan jenis flat spiral coil

yang dapat dilihat pada gambar 3.4. Kumparan ini akan menghasilkan medan

magnet di sekitar logam penghantar. Kumparan ini memiliki induktansi

sebesar 98 uH, sedangkan kapasitor yang digunakan sebesar 0.3 uF.

Frekuensi resonan:

f =1

2𝜋√(𝐿𝐶)=

1

2𝜋√(98. 10−6 𝑥 0,3. 10−6)= 29,367 kHz

Pada saat terjadi resonansi maka harga impedansi rangkaian mencapai nilai

minimum, saat impedansi minimum inilah arus yang mengalir mencapai

maksimum.

Gambar 3.4. Flat Spiral Coil

4. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

Pada bagian ini, digunakan IGBT dengan jenis FGL40N120AND. IGBT ini

akan memutus dan mengalirkan tegangan pada kumparan dan kapasitor pada

rangkaian coil. Dengan memutus dan mengalirkan tegangan, maka akan

terjadi arus bolak-balik yang akan membangkitkan medan magnet.

Penggunaan IGBT dikarenakan IGBT dapat dialiri tegangan tinggi dan arus

yang besar, selain itu IGBT juga memiliki rugi penyaklaran yang lebih

rendah dari MOSFET.

12

5. Driver IGBT

Pin gate dari IGBT membutuhkan tegangan sekitar 15 volt agar dapat

saturasi, sedangkan keluaran sinyal PWM dari mikrokontroler hanya sebesar

5 volt. Untuk dapat mencapai tegangan buka minimum IGBT maka

diperlukan driver yang dapat menaikkan tegangan dari PWM tersebut

menjadi 15 volt. Komponen yang digunakan sebagai driver IGBT adalah

photocoupler TLP250.

Gambar 3.5. Skematik TLP 250

Anoda dari TLP250 ini akan mendapat input berupa sinyal PWM dari Modul

Mikrokontroler. Pin VCC akan diberi tegangan 15 V sehingga akan

menghasilkan output PWM dengan tegangan 15 V yang akan dihubungkan

ke kaki Gate IGBT.

3.1.4. Modul Sensor Suhu

Sensor yang digunakan untuk Modul Sensor Suhu ini adalah Thermocouple type-K.

Pemilihan thermocouple sebagai sensor suhu disini karena thermocouple mempunyai

jangkauan suhu dari -200C

sampai 1023

0C. Thermocouple ini memiliki keluaran berupa

tegangan yang sangat kecil dengan satuan milivolt. Bentuk dari thermocouple yang

digunakan dapat dilihat pada gambar 3.6.

13

Gambar 3.6. Thermocouple type-K

Keluaran thermocouple ini akan terhubung dengan IC MAX6675. Output

MAX6675 dibentuk dari kompensasi cold-junction yang didigitalisasi dari sinyal

thermocouple. Data keluarannya memiliki resolusi 12-bit dan mendukung komunikasi

SPI mikrokontroler secara umum. Data dapat dibaca dengan mengkonversi hasil

pembacaan 12-bit data.

Gambar 3.7. Rangkaian MAX6675

14

Fungsi dari thermocouple adalah untuk mengetahui perbedaan temperature di

bagian ujung dari dua bagian metal yang berbeda dan disatukan. Thermocouple tipe hot

junction dapat mengukur mulai dari 0oC sampai +1023,75

oC.

MAX6675 memiliki bagian ujung cold end yang hanya dapat mengukur -20oC

sampai +85oC. Pada saat bagian cold end MAX6675 mengalami fluktuasi suhu maka

MAX6675 akan tetap dapat mengukur secara akurat perbedaan temperature pada bagian

yang lain. MAX6675 dapat melakukan koreksi atas perubahan pada temperature

ambient dengan kompensasi cold-junction. Device mengkonversi temperature ambient

yang terjadi ke bentuk tegangan menggunakan sensor temperature diode. Untuk dapat

melakukan pengukuran aktual, MAX6675 mengukur tegangan dari keluaran

thermocouple dan tegangan dari sensing diode.

Gambar 3.8. Skematik rangkaian Thermocouple, MAX6675,

dan koneksi ke Mikrokontroler

Untuk mendapatkan nilai suhu pada thermocouple tipe-K, perubahan tegangan

sebesar 41μV/oC dengan menggunakan pendekatan karakteristik dapat menggunakan

rumus dibawah ini:

VOUT = (41μV / oC) 5 (TR – TAMB) …………………………..……………….. (3.3)

Dengan: VOUT = Voutput thermocouple (μV)

TR = Termperature remote junction (oC)

TAMB = Temperature ambient (oC)

15

Hasil dari Modul Sensor Suhu ini akan ditampilkan ke LCD setelah diolah melalui

Modul Mikrokontroler.

3.1.5. Modul Pilihan Menu

Modul ini terdapat 3 pilihan menu memasak, yaitu SLOW, NORMAL, dan FAST.

Tombol pilihan menu akan menggunakan 3 switch push button. Perbedaan menu

memasak dibuat berdasarkan perbedaan frekuensi PWM yang dihasilkan mikrokontroler

untuk memutus-hubungkan Modul Pemanas melalui IGBT.

Gambar 3.9. Switch Push Button

Untuk menu SLOW, frekuensi PWM yang dihasilkan mikrokontroler sebesar 15

kHz. Sedangkan untuk menu NORMAL, mikrokontroler menghasilkan frekuensi PWM

sebesar 17.5 kHz. Pada menu FAST menggunakan frekuensi sebesar 20 kHz.

16

3.2. Perangkat Lunak Sistem

Perangkat lunak sistem akan dijalankan oleh mikrokontroler yang akan mengatur

sistem kompor induksi secara keseluruhan.

3.2.1. PWM

Pulsa PWM dapat dihasilkan dari pin OCR pada mikrokontroler. Perlu pengaturan

register timer pada mikrokontroler agar dapat dihasilkan pulsa dengan lebar sesuai

keinginan. Hal yang sangat penting adalah pengaturan frekuensi dan lebar pulsa on dan

pulsa off. Oleh karena itu perlu dihitung berapa konstanta-konstanta timer yang di atur

pada mikrokontroler.

Dua parameter utama yang diperlukan untuk mencari konstanta-konstanta timer

adalah nilai clock mikrokontroler dan nilai clock timer (ditentukan dari prescaler). Dari

kedua parameter itu dapat dirancang lebar pulsa high dan pulsa low dengan frekuensi

tertentu.

Clock eksternal yang digunakan adalah 11,059200 MHz. Pembangkitan PWM

menggunakan Timer1 karena timer ini dapat menampung data sebesar 16 bit. Mode

PWM yang dipilih adalah Phase Correct PWM top=ICR1 dengan prescaler 8 sehingga

nilai clock timer adalah 1382,4 kHz. Dengan demikian kenaikan counter pada timer

dapat dihitung dari periodenya yaitu 1/1382,4 kHz = 7,2338 𝑥 10-7

s atau sekitar 72,34

mikrosekon.

Pada mode SLOW, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 15 kHz. Periode dari

frekuensi tersebut adalah 6,66 𝑥 10-5

s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM

maka periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer

adalah 3,33 𝑥 10-5

s.

Nilai top dari timer bergantung dari ICR1 dimana nilainya dihitung dari pembagian

total waktu yang diinginkan dengan periode timer yaitu 3,33 𝑥 10-5

s / 7,2338 𝑥 10-7

=

46,034. Nilai inilah yang perlu dimasukkan ke register ICR1. Karena register adalah tipe

data integer maka perlu dibulatkan menjadi 46. Dalam bilangan hexadesimal menjadi

0 𝑥 2E.

17

Pada mode NORMAL, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 17,5 kHz. Periode dari

frekuensi tersebut adalah 5,71 𝑥 10-5

s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM

maka periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer

adalah 2,86 𝑥 10-5

s. Nilai top dari timer yaitu 2,86 𝑥 10-5

s / 7,2338 𝑥 10-7

= 40,089 =

40. Dalam bilangan hexadimal menjadi 0 𝑥 28.

Pada mode FAST, ditetapkan frekuensi PWM sebesar 20 kHz. Periode dari

frekuensi tersebut adalah 5 𝑥 10-5

s. Karena digunakan mode Phase Correct PWM maka

periodenya adalah dua kali kenaikan counter timer, sehingga nilai counter timer adalah

2,5 𝑥 10-5

s. Nilai top dari timer yaitu 2,5 𝑥 10-5

s / 7,2338 𝑥 10-7

= 34,56 = 35. Dalam

bilangan hexadesimal menjadi 0 𝑥 23.

Untuk mengatur duty cycle harus dicari nilai OCR. Nilai OCR dapat dihitung

dengan membagi lagi nilai periode dengan dua karena ditetapkan duty cycle sebesar

50% (setengahnya), maka didapat 1,67 𝑥 10-5

s. Sehingga 1,67 𝑥 10-5

s / 7,2338 𝑥 10-7

s

= 23,1 atau dalam hexadesimal 0 𝑥 17. Dengan cara tersebut, maka didapatkan nilai

OCR untuk mode SLOW yaitu 0 𝑥 17, mode NORMAL 0 𝑥 14, dan mode FAST 0 𝑥 11.

3.2.2. Pilihan Menu

Gambaran program pilihan menu akan dijelaskan oleh diagram alir pilihan menu

pada gambar 3.10.

18

Gambar 3.10. Diagram Alir Pilihan Menu

Start

PWM 20 KHz

Cek input

Menu

Cek menu

SlowPWM 15 KHz

Ambil data suhu

Tampilkan ke LCD

Cek tombol

Reset

PWM 17.5 KHz

Ambil data suhu

Tampilkan ke LCD

Cek tombol

Reset

Cek menu

Normal

Cek menu

Fast

YES

NO

YES

NO

YES

NO

PWM 20 KHz

Ambil data suhu

Tampilkan ke LCD

Cek tombol

Reset

YES

YES

NO

YES

NO

YES

NO

NO