Aftzar 16979: Rangkaian H-Bridge dengan PWM menggunakan IC Timer 555

Pada artikel ini saya akan menjelaskan tentang tugas kuliah yang baru saja saya kerjakan yaitu membuat rangkaian H-Bridge dengan PWM menggunakan IC Timer 555. Saya akan memulainya terlebih dengan membahas prinsip kerja IC Timer 555 lalu prinsip kerja dari rangkaian H-Bridge dengan PWM sampai proses pembuatan rangkaiannya.

A. Prinsip Kerja IC Timer 555

IC Timer atau IC Pewaktu adalah jenis IC yang digunakan untuk berbagai rangkaian elektronika yang memerlukan fungsi pewaktu dan multivibrator didalamnya. Beberapa rangkaian yang memerlukan IC Timer diantaranya seperti Waveform Generator, Frequency Meter, Jam Digital, Counter dan lain sebagainya. IC Timer atau IC Pewaktu yang paling populer saat ini adalah IC 555 yang dikembangkan oleh Hans R. Camenzind yang bekerja untuk Signetic Corporation pada tahun 1970-an. Pada dasarnya, IC Timer 555 merupakan IC Monolitik pewaktu yang menghasilkan Osilasi (Oscilation) dan Waktu Penundaan (Delay Time) dengan keakuratan dan kestabilan tinggi.

IC Timer 555 yang umum digunakan adalah IC Timer 555 yang berbentuk DIP (Dual Inline Package) dengan 8 kaki terminalnya. Namun seiring dengan perkembangannya, saat ini kita dapat menemui beberapa versi IC 555, diantaranya seperti IC 556 yang menggabungkan 2 buah IC 555 dalam satu kemasan (14 kaki), IC 558 yang menggabungkan 4 buah IC555 dalam satu kemasan (16 kaki) serta IC555 yang mengkonsumsi daya rendah seperti 7555 dan TLC555. Harga sebuah IC 555 yang berbentuk DIP 8 kaki cukup murah, yaitu sekitar Rp. 2.000 hingga Rp. 5.000 tergantung merek dan tipenya. Nama IC 555 diambil dari 3 buah resistor yang terdapat dalam kemasan IC dengan nilai masing-masingnya 5kΩ.

Berikut ini adalah susunan dan konfigurasi Kaki IC 555 yang berbentuk DIP 8 kaki.

1. Kaki 1 (GND): Terminal Ground atau Terminal Negatif sumber tegangan DC.

2. Kaki 2 (TRIG): Terminal Trigger (Pemicu), digunakan untuk memicu Output menjadi “High”, kondisi High akan terjadi apabila level tegangan pada kaki Trigger ini berubah dari High menuju ke <1/3Vcc (lebih kecil dari 1/3Vcc).

3. Kaki 3 (OUT): Terminal Output (Keluaran) yang memiliki 2 keadaan yaitu “Tinggi/HIgh” dan “Rendah/Low”.

4. Kaki 4 (RESET): Terminal Reset. Apabila kaki 4 digroundkan, Output IC akan menjadi rendah dan menyebabkan perangkat ini menjadi OFF. Oleh karena itu, untuk memastikan IC dalam kondisi ON, Kaki 4 biasanya diberikan sinyal “High”.

5. Kaki 5 (CONT): Terminal Control Voltage (Pengatur Tegangan), memberikan akses terhadap pembagi tegangan internal. Secara default, tegangan yang ditentukan adalah 2/3 Vcc.

6. Kaki 6 (THRES): Terminal Threshold, digunakan untuk membuat Output menjadi “Low”. Kondisi “Low” pada Output ini akan terjadi apabila Kaki 6 atau Kaki Threshold ini berubah dari Low menuju > 1/3Vcc (lebih besar dari 1/3Vcc).

7. Kaki 7 (DISCH): Terminal Discharge. Pada saat Output “Low”, Impedansi kaki 7 adalah “Low”. Sedangkan pada saat Output “High”, Impedansi kaki 7 adalah “High”.Kaki Discharge ini biasanya dihubungkan dengan Kapasitor yang berfungsi sebagai penentu interval pewaktuan. Kapasitor akan mengisi dan membuang muatan seiring dengan impedansi pada kaki 7. Waktu pembuangan muatan inilah yang menentukan Interval Pewaktuan dari IC555.

8. Kaki 8 (VCC): Terminal Positif sumber tegangan DC (sekitar 4,5V atau 16V).

B. Prinsip Kerja Rangkaian H-Bridge dengan PWM

Rangkaian H-Bridge sederhana merupakan suatu rangkaian elektronika yang menggunakan transistor, yang mana biasa digunakan untuk driver kendali arah putaran motor. Disebut dengan nama H-Bridge karena konfigurasi transistor penyusunnya membentuk seperti huruf H. Transistor tersebut digunakan sebagai switching sehingga nantinya memungkinkan motor untuk dapat berputar searah dengan jarum jam, clockwise, atau berlawanan dengan arah jarum jam, counterclockwise. Namun pada project yang saya kerjakan, rangkaian H-Bridge ini dikombinasikan dengan IC Timer NE555 dengan teknik PWM untuk mengendalikan kecepatan putaran motor DC.

PWM sendiri adalah Pulse Width Modulation atau jika diterjemahkan dalam bahasa Indonesia memiliki arti Modulasi Lebar Pulsa yaitu merupakan suatu teknik modulasi yang digunakan untuk mengubah lebar pulsa dengan nilai amplitudo dan frekuensi tetap. Pada motor DC, PWM mengatur lebar sisi positif maupun negatif pulsa kontrol pada frekuensi kerja tetap sehingga semakin lebar sisi pulsa positif maka kecepatan dari motor DC semakin tinggi begitupun jika lebar sisi negatif yang lebih lebar maka kecepatan dari motor DC akan melambat.

Pada rangkaian ini dioda digunakan untuk proses charge dan discharge pada kapasitor dan potensiometer yang terhubung dengan dioda menentukan waktu charge atau discharge kapasitor. Komponen-komponen yang saya gunakan untuk membuat rangkaian H-Bridge dengan PWM adalah sebagai berikut:

1. IC NE555 (2 buah)

2. Potensiometer 100k Ohm (1 buah)

3. Dioda 1N4148 (2 buah)

4. Resistor 1k Ohm (1 buah)

5. Kapasitor 10nF (1 buah)

6. Motor DC (1 buah)

7. Switch (1 buah)

8. Baterai 9V (1 buah)

C. Proses Pembuatan Rangkaian H-Bridge dengan PWM menggunakan IC Timer 555

1. Membuat Desain Schematic Rangkaian H-Bridge dengan PWM

Sebelum membuat rangkaian H-Bridge dengan PWM secara langsung. Kita harus membuat desain PCB nya terlebih dahulu dengan menggunakan aplikasi EAGLE. EAGLE adalah aplikasi buatan Autodesk yang digunakan untuk membuat desain PCB dari suatu rangkaian elektronika. Aplikasi ini dapat diunduh secara gratis dari website resmi Autodesk dan kita dapat menggunakan semua fitur didalamnya tanpa batasan dengan menggunakan lisensi student. Untuk membuat rangkaian H-Bridge dengan PWM, buat desain schematic rangkaian tersebut menggunakan EAGLE seperti pada gambar di bawah. Komponen yang digunakan yaitu IC NE555, potensiometer 100k Ohm, dioda 1N4148, resistor 1k Ohm, kapasitor 10nF, motor DC, switch, dan baterai 9V. Berikut desain schematic yang saya lakukan.

2. Membuat Desain Board Rangkaian H-Bridge dengan PWM

Setelah membuat desain schematic, langkah selanjutnya adalah mendesain board. Klik (Switch to Board) dan akan muncul jendela baru. Pindahkan komponen-komponen yang berada di luar board ke dalam board lalu rapihkan dan kemudian lakukan routing. Pastikan antar jalur route tidak membentuk sudut siku, tidak bersinggungan atau memotong jalur lain, dan tidak menyentuh pads. Klik (Rastnest) untuk memudahkan mencari dan merapihkan jalur route. Lebar jalur route yang digunakan antara 0.6-1mm dengan DRC 23mm dan semakin kecil ukuran board yang digunakan tentu akan semakin bagus. Berikut hasil desain board yang saya lakukan.

3. Mencetak Layout PCB

Simpan file board tersebut ke dalam bentuk PDF dengan cara klik File>Print>Save to PDF. Selanjutnya cetak file pdf tersebut yang merupakan layout PCB dengan menggunakan kertas glossy.

4. Mendesain 3D Rangkaian H-Bridge dengan PWM

Untuk melihat dan mendesain bentuk 3D dari desain rangkaian yang sudah dibuat sebelumnya dengan EAGLE, kita akan gunakan Fusion 360. Fusion 360 adalah aplikasi dari Autodesk yang bisa dipakai untuk mendesain bentuk 3D dari desain board EAGLE. Caranya cukup mudah yaitu dengan mengklik tombol “Fusion 360” yang ada sisi kanan jendela board EAGLE dan klik push. Maka akan muncul bentuk 3D dari rangkaiannya dan kita juga dapat mendesainnya.

5. Mensimulasikan Rangkaian H-Bridge dengan PWM

Untuk mengetahui apakah rangkaian yang kita buat akan berjalan atau tidak, maka sebaiknya simulasikan dahulu rangkaian tersebut dengan menggunakan Proteus sehingga kita bisa mengetahui kesalahannya apabila rangkaiannya ternyata tidak jalan. Berikut hasil simulasi yang telah saya lakukan.

6. Menyablon Layout PCB

Langkah selanjutnya adalah menempelkan layout board yang sudah dicetak ke PCB dengan cara disetrika. Sebelum disetrika sebaiknya PCB diamplas terlebih dahulu. Setrika selama 5 menit lalu ambil kertas glossy-nya secara perlahan.

7. Melarutkan PCB

Larutkan PCB yang sudah tersablon ke dalam larutan FeCl3. Tunggu beberapa saat sambil dengan mengaduk nampan sampai seluruh tembaga pada permukaan PCB larut.

8. Mengebor dan Menyolder PCB

Lubangi pads PCB atau tempat kita akan memasang komponen dengan cara mengebornya. Pasangkan kaki komponen ke tempat yang dilubangi sesuai seperti desain board rangkaian yang sudah kita buat sebelumnya di EAGLE lalu solder dengan menggunakan timah. Pastikan hasil solderan pada PCB rapih agar jalur route benar-benar terhubung.