Pengertian PWM (Pulse Width Modulation atau Modulasi Lebar Pulsa)
– Rangkaian-rangkaian seperti Inverter, Konverter, Switch mode power
supply (SMPS) dan Pengontrol kecepatan (Speed Controller) adalah
rangkaian-rangkaian memiliki banyak sakelar elektronik di dalamnya.
Sakelar-sakelar elektronik yang digunakan pada rangkaian tersebut
umumnya adalah komponen elektronik daya seperti MOSFET, IGBT, TRIAC dan
lain-lainnya. Untuk mengendalikan sakelar elektronik daya semacam ini,
kita biasanya menggunakan sesuatu yang disebut sinyal PWM (Pulse Width
Modulation). Selain itu, sinyal PWM juga sering digunakan untuk
mengendarai motor Servo dan juga digunakan untuk melakukan tugas-tugas
sederhana lainnya seperti mengendalikan kecerahan LED.
Pengertian PWM (Pulse Width Modulation)
PWM adalah kepanjangan dari
Pulse Width Modulation atau
dalam bahasa Indonesia dapat diterjemahkan menjadi Modulasi Lebar Pulsa.
Jadi pada dasarnya, PWM adalah suatu teknik modulasi yang mengubah
lebar pulsa (pulse width) dengan nilai frekuensi dan amplitudo yang
tetap. PWM dapat dianggap sebagai kebalikan dari ADC (Analog to Digital
Converter) yang mengkonversi sinyal Analog ke Digital, PWM atau Pulse
Width Modulation ini digunakan menghasilkan sinyal analog dari perangkat
Digital (contohnya dari Mikrokontroller).
Untuk lebih memahami apa yang dimaksud dengan PWM atau Pulse Width
Modulation ini. Kita coba melihat contoh dari sinyal yang dihasilkan
oleh Mikrokontroler atau IC 555. Sinyal yang dihasilkan oleh
Mikrokontrol atau IC555 ini adalah sinyal pulsa yang umumnya berbentuk
gelombang segiempat. Gelombang yang dihasilkan ini akan tinggi atau
rendah pada waktu tertentu. Misalnya gelombang tinggi di 5V dan paling
rendah di 0V. Durasi atau lamanya waktu dimana sinyal tetap berada di
posisi tinggi disebut dengan “ON Time” atau “Waktu ON” sedangkan sinyal
tetap berada di posisi rendah atau 0V disebut dengan “OFF Time” atau
“Waktu OFF”. Untuk sinyal PWM, kita perlu melihat dua parameter penting
yang terkait dengannya yaitu Siklus Kerja PWM (PWM Duty Cycle) dan
Frekuensi PWM (PWM Frequency).
Siklus Kerja PWM (PWM Duty Cycle)
Seperti yang disebutkan diatas, Sinyal PWM akan tetap ON untuk waktu
tertentu dan kemudian terhenti atau OFF selama sisa periodenya. Yang
membuat PWM ini istimewa dan lebih bermanfaat adalah kita dapat
menetapkan berapa lama kondisi ON harus bertahan dengan cara
mengendalikan siklus kerja atau Duty Cycle PWM.
Persentase waktu di mana sinyal PWM tetap pada kondisi TINGGI (ON
Time) disebut dengan “siklus kerja” atau “Duty Cycle”. Kondisi yang
sinyalnya selalu dalam kondisi ON disebut sebagai 100% Duty Cycle
(Siklus Kerja 100%), sedangkan kondisi yang sinyalnya selalu dalam
kondisi OFF (mati) disebut dengan 0% Duty Cycle (Siklus Kerja 0%).
Rumus untuk menghitung siklus kerja atau duty cycle dapat ditunjukkan seperti persamaan di bawah ini.
Duty Cycle = t
ON / (t
ON + t
OFF)
Atau
Duty Cycle = t
ON / t
total
Dimana :
- tON = Waktu ON atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi tinggi (high atau 1)
- tOFF = Waktu OFF atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi rendah (low atau 0)
- ttotal = Waktu satu siklus atau penjumlahan antara tON dengan tOFF atau disebut juga dengan “periode satu gelombang”
Siklus Kerja = Waktu ON / (Waktu ON + Waktu OFF)
Gambar berikut ini mewakili sinyal PWM dengan siklus kerja 60%.
Seperti yang kita lihat, dengan mempertimbangkan seluruh periode waktu
(ON time + OFF time), sinyal PWM hanya ON untuk 60% dari suatu periode
waktu.
Frekuensi PWM (PWM Frequency)
Frekuensi sinyal PWM menentukan seberapa cepat PWM menyelesaikan satu
periode. Satu Periode adalah waktu ON dan OFF penuh dari sinyal PWM
seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas.
Berikut ini adalah Rumus untuk menghitung Frekuensi :
Frequency = 1 / Time Period
Keterangan :
Time Periode atau Periode Waktu = Waktu ON + Waktu OFF
Biasanya sinyal PWM yang dihasilkan oleh mikrokontroler akan sekitar
500 Hz, frekuensi tinggi tersebut akan digunakan dalam perangkat
switching yang berkecepatan tinggi seperti inverter atau konverter.
Namun tidak semua aplikasi membutuhkan frekuensi tinggi. Sebagai contoh,
untuk mengendalikan motor servo kita hanya perlu menghasilkan sinyal
PWM dengan frekuensi 50Hz, frekuensi sinyal PWM ini juga dapat
dikendalikan oleh program untuk semua mikrokontroler.
Perbedaan antara Siklus Kerja (Duty Cycle) dengan Frekuensi sinyal PWM
Siklus kerja dan frekuensi sinyal PWM sering membingungkan. Seperti
yang kita ketahui bahwa sinyal PWM adalah gelombang persegi dengan waktu
ON dan waktu OFF. Jumlah dari Waktu ON (ON-Time) dan Waktu OFF
(OFF-Time) ini disebut sebagai satu periode waktu. Kebalikan dari satu
periode waktu disebut frekuensi. Sementara jumlah waktu sinyal PWM harus
tetap dalam satu periode waktu ditentukan oleh siklus kerjaPWM.
Sederhananya, seberapa cepat sinyal PWM harus dihidupkan (ON) dan
dimatikan (OFF) ditentukan oleh frekuensi sinyal PWM dan kecepatan
berapa lama sinyal PWM harus tetap ON (hidup) ditentukan oleh siklus
kerja sinyal PWM.
Bagaimana cara menghitung tegangan output sinyal PWM?
Tegangan output sinyal PWM yang telah diubah menjadi analog akan
menjadi persentase dari siklus kerja (Duty Cycle). Misalnya jika
tegangan operasi 5V maka sinyal PWM juga akan memiliki 5V ketika tinggi.
Apabila Duty Cycle atau siklus kerja adalah 100%, maka tegangan output
akan menjadi 5V. Sedangkan untuk siklus kerja 50% akan menjadi 2.5V.
Demikian juga apabila siklus kerja 60% maka Tegangan Output analognya
akan menjadi 3V.
Rumus perhitungan tegangan output sinyal PWM ini dapat dilihat seperti persamaan dibawah ini :
V
out = Duty Cycle x V
in
Contoh Kasus Perhitungan PWM :
Desain PWM dengan siklus kerja 60% dengan frekuensi 50Hz dan Tegangan Input 5V.
Penyelesaiannya :
Diketahui :
Duty Cycle : 60%
Frequency : 50Hz
Vin : 5V
Mencari Time Period atau Periode Waktu :
Time Period = 1 / 50Hz
Time Period = 0,02 detik atau 20 milidetik
Mencari Waktu ON (ON-Time) dengan siklus kerja 60% (0,6)
Duty Cycle = t
ON / (t
ON + t
OFF)
0,6 = t
ON / (t
ON + t
OFF)
0,6 = t
ON / 20 milidetik
t
ON = 0,6 x 20 milidetik
t
ON = 12 milidetik
Mencari Waktu OFF (OFF-Time)
t
OFF = t
total – t
ON
t
OFF = 20 – 12
t
OFF = 8 milidetik
Mencari Tegangan Output
V
out = Duty Cycle x V
in
V
out = 60% x 5V
V
out = 3V
Hasil dari Perhitungan diatas dapat digambarkan menjadi seperti grafik diatas