Dasar:Pulse Width Modulation (PWM)

Kita lihat rangkaian lampu yang dipasang di mobil. Spesifikasi lampu tersebut adalah:
Daya = 12 Watt
Tegangan = 12 Volt
Lampu tersebut dirangkai seperti dibawah ini:



Saat dinyalakan, mengalirlah arus sebesar I = P / V = 1 Ampere. Apabila arus satu ampere mengalir pada beda tegangan 12 Volt, maka resistansi dari lampu adalah 12 ohm. (Betul ya? Hukum ohm.....)

Tiba-tiba, karena ada yang protes lampu tersebut terlalu menyilaukan, maka anda bermaksud mengurangi cahayanya dengan diseri resistor sebesar 12 ohm. Rangkaiannya menjadi begini:



Karena resistor adalah kawat filamen yang memiliki resistansi tertentu, disini lampu dianggap sebagai beban resistif dengan besar resistansi 12 ohm.
Arus yang mengalir di loop tersebut = V / Rtotal = 12/24= 0.5 A
Karena arus yang mengalir adalah 0.5 A, maka daya lampu adalah I ^ 2 * R = 3 Watt
Tapi, karena resistor 12 ohm juga dilewati arus, maka timbullah panas di resistor tersebut, sebesar:
I ^ 2 * R = 0.5 ^ 2 * 12 = 3 watt.

Dengan 3 watt, maka resistor tersebut akan panassss... Lampu emang redup, tapi malah ada resistor yang panas nih....

Perhatikan 2 pernyataan dibawah:

1. Daya lampu pada awal adalah 12 Watt, setelah diseri resistor menjadi 3 Watt, artinya, intensitas cahaya menjadi seperempat kalinya.
2. Daya yang dibutuhkan pada rangkaian pertama adalah 12 Watt, sedangkan pada rangkaian kedua adalah 6 Watt. Artinya, ‘penghematan’ energi hanya setengahnya.

Apakah ini merugikan? Jelas ya, karena energi yang termanfaatkan (berupa cahaya) berkurang 4 kali, sementara pengurangan daya hanya berkurang 2 kali... Sisanya, terbuang berupa panas pada resistor. Artinya, efisiensi sistem (konversi listrik ke cahaya) jauh berkurang akibat adanya resistor.

Knowledge:
1. Anda jangan mencoba menserikan lampu rumah anda dengan resistor, meskipun anda berniat baik melakukan penghematan, karena bukannya penghematan yang diperoleh, malah bikin rumah menjadi panas dan membahayakan...
2. Apabila tegangan rumah anda 110 Volt, tapi anda memasang lampu pijar 220 Volt 100 Watt, maka lampu tersebut menyerap daya 25 Watt. Tapi, coba bandingkan cahaya lampunya apabila anda memakai lampu pijar 110V 25 Watt, pasti berbeda, kemungkinan lampu 220 Volt lebih redup tetapi menghasilkan panas lebih banyak. Ini terjadi karena saat desain, lampu tersebut di set berada pada efisiensi tertinggi pada tegangan kerjanya. .... Yah... kadang praktek lebih rumit dibandingkan teori. ya kan...

Terus apa hubungannya antara PWM dan artikel ini? Nyambung enggak sih?

Kita membutuhkan sistem pengaturan daya yang efisien, dengan kata lain, penambahan resistor pada kenyataannya tidak mengurangi daya, tetapi ‘memindahkan’ daya untuk kemudian dibuang. Apa urgensi dari pengaturan daya tersebut? Tentu saja banyak, misalnya pengaturan putaran motor, pengaturan panas heater suatu furnace, dan lain sebagainya.

Oleh karena itu, para ahli menemukan metoda PWM yaitu Pulse Width Modulation, bahasa Indonesianya Modulasi Lebar Pulsa. Caranya adalah dengan melakukan ‘chopping’ sumber daya dari beban.



Pada gambar diatas, lampu di ON/OFF kan, dimana perioda ON dan OFF nya tergantung dari daya yang diinginkan. Perbandingan dari perioda ON dan perioda T disebut dengan DUTY CYCLE.

Wah, kalo begitu, lampunya kedip dong? Tidak, selama frekuensi ON/OFF nya cukup tinggi sehingga mata tidak dapat merasakan kedipan lampu tersebut. Selain itu, karena lampu berupa filamen panas, saat sumber daya dimatikan, filamen lampu tidak langsung dingin, sehingga masih menyala. Otomatis, kedipan lampu sama sekali tidak terlihat.

Dengan metoda seperti diatas, tidak ada daya yang terbuang meskipun daya lampu dikurangi sampai 10%. Saklar pada rangkaian PWM bukanlah saklar mekanik, tetapi biasanya berupa komponen MOSFET atau Power Transistor. Rangkaian chopping pada PWM tidak memungkinkan apabila memakai relay, karena relay responnya tidak bisa cepat. Salah-salah hanya akan berdengung saja... (Kecuali untuk pengontrolan heater, perioda PWM bisa cukup lama, misalnya 5 detik).

Penerapan PWM

1. PWM bisa dipakai sebagai pengganti DAC, misalnya untuk reproduksi suara. Dengan hanya satu port digital, kita bisa menghasilkan suara dikombinasikan dengan Low Pass filter. Low pass filter ini dipergunakan untuk membuang komponen frekuensi tinggi dari sinyal, karena sinyal PWM yang berupa sinyal kotak memiliki komponen frekuensi tinggi (coba pelajari transformasi fourier untuk rekonstruksi sinyal kotak).
2. Pengendalian pemanas/heater di industri, pada umumnya memakai prinsip PWM.
3. Sistem injeksi bahan bakar (injection), volume bensin yang dibakar tergantung dari lamanya injector membuka. Ini sesuai dengan prinsip PWM.
4. Switching power supply yang memakai LM2576 merupakan prinsip PWM. Bandingkan dengan LM7805 yang selalu panas pada beban 1 A dan tegangan input 12V.
5. Power supply komputer, charger HP, charger notebook, saat ini sudah memakai prinsip PWM, pemakaian transformator sudah jarang.
6. Pengaturan putaran motor 3 phasa di industri biasanya memakai modul yang disebut dengan Inverter. Inverter ini memakai prinsip kerja PWM.
7. Dimmer lamp memakai prinsip PWM, frekuensi PWM nya adalah 50Hz, dikontrol memakai TRIAC.
8. Kalau buka-buka buku koleksi skema elektronik jaman baheula, biasanya ada rangkaian peredup lampu pijar, dimana lampu pijar hanya diseri dengan dioda BY127. Ini bertujuan agar duty cycle menjadi 50% sehingga lampu menjadi redup.
9. dan banyak lagi

Yang tidak memakai PWM

1. Masih banyak dijual dipasaran Power Supply 12 Volt 20 Ampere yang memakai 5 buah 2N3055 dan ditempeli dengan heatsink yang buesaaarrr dan dilengkapi kipas. Transistor tersebut panas bukan karena rusak, tetapi memang sudah sifat alamiahnya.
2. Audio Power Amplifier. Selalu memakai power transistor besar dan dilengkapi dengan fan, apalagi apabila powernya diatas 100 Watt. Saya belum melihat power amplifier yang memakai PWM, mungkin pembaca pernah melihatnya?
3. Pengendalian traksi motor pada Kereta Listrik. Diatap KRL terdapat resistor yang besar sekali untuk mengatur daya motor. Sepertinya bisa dipakai untuk menjemur baju. Menurut salah seorang rekan di Balai Yasa Manggarai, sudah ada beberapa KRL yang memakai VVVF (Variable Voltage Variable Frequency), mungkin ini mirip dengan prinsip PWM? Maaf saya belum mendalaminya....

Sekian bahasan saya mengenai PWM, terus terang, saya hanya tau kulitnya aja, tapi mudah-mudahan cukup sebagai gambaran mengenai PWM......