Pengertian PWM (Pulse Width Modulation atau Modulasi Lebar Pulsa)

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 :

• t_ON = Waktu ON atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi tinggi (high atau 1)
• t_OFF = Waktu OFF atau Waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi rendah (low atau 0)
• t_total = Waktu satu siklus atau penjumlahan antara t_ON dengan t_OFF 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