APAKAH PULSE WIDTH MODULATION (PWM) ITU?

PWM merupakan teknik yang sangat ampuh dan biasa digunakan untuk mengontrol rangkaian analog atau sumber tegangan bagi perangkat listrik gerak dan praktis dengan sebuah keluaran digital dari prosesor seperti pada saklar daya elektronika modern.

1. Pendahuluan


Sebuah perangkat digital seperti mikro kontroler bekerja dengan masukan dan keluaran. Masukan dan keluaran ini hanya memiliki dua kondisi, ON dan OFF. Jadi kita dapat menggunakan untuk mengontrol kondisi sebuah LED menjadi ON atau OFF. Dengan cara yang sama, kita dapat menggunakannya untuk mengontrol semua perangkat elektronik ON dan OFF dengan menggunakan pengendali berupa transistor, relay, dan sebagainya. Tetapi kadang-kadang kita memerlukan tidak hanya sekedar mengontrol ON atau OFF saja. Sebagai contoh kita ingin mengontrol kecerahan/brightness dari sebuah LED atau lampu, kecepatan dari sebuah motor DC. Dalam hal ini dengan sinyal digital (ON/OFF) tidak akan dapat terwujud. Situasi ini dapat diselesaikan dengan cerdas menggunakan teknik yang disebut PWM atau Pulse Width Modulation.

PWM merupakan suatu teknik yang digunakan untuk membangkitkan sinyal analog dari sebuah perangkat digital seperti unit mikrokontroler/ Micro Controller Unit (MCU). Control digital digunakan untuk menciptakan sebuah gelombang persegi, suatu sinyal yang berubah antara ON dan OFF. Bentuk ON-OFF ini mewakili suatu kondisi tegangan antara ON secara penuh (5V) dan OFF (0V) dengan merubah bagian dari waktu sinyal berada pada kondisi ON dan pada waktu sinyal berada pada kondisi OFF. Durasi dari waktu ON disebut lebar pulsa (pulse width). Untuk mendapatkan nilai analog yang bervariasi kita dapat merubah atau memodulasi lebar pulsa. Jika anda mengulang bentuk ON-OFF ini dengan kecepatan yang cukup dengan sebuah LED sebagai contohnya, hasilnya akan sama seperti jika sinyal berada pada suatu tegangan yang tetap antara 0V dan 5V mengontrol tingkat kecerahan dari LED.

2. Bagaimana PWM Digunakan?

PWM menggunakan pulsa digital untuk menciptakan beberapa nilai analog yang tidak hanya berupa sinyal HIGH dan LOW saja. Kebanyakan perangkat menggunakan tegangan 5V sebagai sumber tegangannya. Sehingga misalnya jika kita men-filter suatu sinyal yang memiliki duty cycle 50%, kita akan mendapatkan sebuah tegangan rata-rata 2.5V. Duty cycles lain menghasilkan tegangan pada rentang 0-100% dari tegangan HIGH tergantung kepada resolusi dari PWM. Duty cycle didefinisikan sebaga suatu prosentase dari sinyal digital HIGH dan LOW yang muncul selama suatu periode PWM. Resolusi PWM didefinisikan sebagai jumlah pulsa maksimal yang dapat dikemas ke dalam suatu periode PWM. Periode PWM adalah suatu periode waktu yang dapat berubah dimana PWM berlangsung. Hal ini merupakan hal yang dapat dipilih untuk mendapatkan hasil terbaik dalam pemakaiannya.

Gambar 1. Duty Cycle

Dengan mengontrol rangkaian analog secara digital, biaya sistem dan konsumsi daya dapat ditekan secara drastis. PWM merupakan suata cara untuk menyandikan tingkat sinyal analog secara digital. Dengan menggunakan pencacah resolusi tinggi/ high-resolution counter, duty cycle dari sebuah gelombang persegi dimodulasi untuk menyandikan sebuah tingkat sinyal analog tertentu. Sinyal PWM tetap digital karena pada setiap waktu yang diberikan, suplai DC berada pada kondisi sepenuhnya ON atau OFF. Sumber tegangan atau arus disuplai ke beban analog dengan cara mengulangi serangkaian pulsa ON dan OFF. Waktu ON adalah waktu selama suplai tegangan DC diterapkan ke beban dan waktu OFF adalah waktu selama suplay dalam kondisi OFF. Dengan memberikan suatu bandwith yang cukup, setiap nilai tegangan analog dapat disandikan dengan PWM.

Gambar 2 di bawah ini menunjukkan tiga sinyal PWM yang berbeda. Gambar 2a menunjukkan suatu keluaran PWM dengan duty cycle 10%. Ini berarti bahwa sinyal akan ON selama 10% dari seluruh periode dan OFF selama 90% dari periode. Gambar 2b menunjukkan keluaran PWM outputs pada 50%, yang berarti signal ON selama 50% dari periode dan OFF pada 50% sisanya. Gambar 2c menunjukkan keluaran PWM pada 90%, yang berarti sinyal ON selama 90% dari periode dan OFF pada 10% dari periode. Ketiga keluaran PWM ini menyandikan tiga nilai tegangan analog yang berbeda yaitu pada 10%, 50% dan 90% dari nilai kekuatan penuhnya. Sebagai misal, jika tegangan suplai yang diberikan adalah 9V, dan duty cycle 10%, maka hasil sinyal analognya adalah 0,9V.

Gambar 2: Sinyal PWM dari duty cycle yang berbeda

Gambar 3 menunjukkan sebuah rangkaian sederhana yang dapat dikendalikan menggunakan PWM. Dalam gambar tersebut sebuah baterai 9V menjadi sumber tegangan dari sebuah lampu pijar. Jika kita menutup saklar/switch dan menyambungkan baterai dengan lampu selama 50 milidetik, Lampu akan menerima tegangan 9V selama jangka waktu tersebut. Jika kita membuka saklar/switch selama 50 milidetik berikutnya, lampu akan menerima tegangan 0V. Jika kita mengulang siklus tersebut 10 kali selama satu detik lampu akan menyala seolah-olah terhubung dengan baterai 4,5 V. Hal ini senilai dengan 50% dari suplai baterai (9V). Kita dapat menyatakan bahwa duty cyclenya 50% dan frekuensi modulasinya 10Hz.

Gambar 3: Sebuah rangkaian PWM sederhana

Kebanyakan beban bersifat induktif dan kapasitif. Mereka memerlukan suatu frekuensi modulasi yang lebih tinggi dari 10Hz. Bayangkan jika lampu diswitch On dan OFF selama lima detik. Jika kita tetap mengulang langkah tersebut, duty cycle akan tetap 50%, tetapi lampu akan terlihat lebih terang selama lima detik dan akan OFF setelahnya. Agar lampu tetap memelihat sebuah tegangan 4,5 volt, periode siklus harus relatif lebih pendek dibandingkan waktu tanggapan beban terhadap perubahan kondisi switch. Untuk mencapai efek lampu redup yang diinginkan perlu dilakukan peningkatan frekuensi modulasi. Hal ini berlaku serupa pada aplikasi PWM yang lain. Rentang frekuensi modulasi yang umum berkisar dari 1 kHz hingga 200 kHz.

3. Tipe PWM

Terdapat tiga tipe Pulse Width Modulation (PWM):

a. Pusat pulsa mungkin tetap berada di pusat dari jendela waktu dan kedua  tepi pulsa bergerak               menyempit atau melebar

b. Sisi tepi awal dapat berada pada sisi awal jendela dan sisi belakangnya termodulasi.
c. Sisi tepi belakang bersifat tetap dan sisi awal termodulasi.

Gambar 4: Tiga tipe PWM

Gambar. 4 diatas menunjukkan tiga tipe sinyal PWM (biru): modulasi sisi depan/leading edge (atas), modulasi sisi belakang/trailing edge (tengah) and pulsa terpusat dengan kedua sisi termodulasi/centered pulses which both edges are modulated (bawah). Garis hijau merupakan gelombang gigi gergaji/sawtooth (kasus pertama dan kedua) dan sebuah gelombang segitiga/triangle (kasus ketiga) digunakan untuk membangkitkan gelombang PWM. Gelombang gigi gergaji/Sawtooth berarti suatu bentuk gelombang yang naik secara linier dari nol hingga nilai maksimal yang kemudian secara linier/lurus kembali ke nol dan berulang kembali.

4. Contoh Penggunaan PWM

Pengontrol Kecerahan/ Brightness LED dengan sebuah Rangkaian PWM Sederhana

Gambar 5 di bawah ini menunjukkan suatu rangkaian sederhana untuk membangkitkan duty-cycle PWM bervariasi. Untuk keperluan pengujian lebih baik jika dimulai dengan menggunakan suatu beban yang aman dan sederhana. Selanjutnya kita akan memulai dengan mengatur kecerahan dari sebuah LED tunggal dengan gelombang PWM.

Gambar 5: Skema dari sebuah LED tersambung dengan keluaran gelombang kotak dari rangkaian PWM.

Pada gambar 5, kita akan mulai dengan menyambungkan sebuah resistor 180 ohm dan sebuah LED dengan warna sembarang pada kaki4 IC 74AC14. Putar potensiometer untuk menyetel jumlah waktu ON/ “on time” yang diterima LED, yang selanjutnya akan merubah kecerahannya. Jika LED tidak berada pada posisi “ON”, periksa apakah pemasangannya terbalik. Jika LED terlalu redup terlepas dari pengaturan potensiometer, dapat menggunakan resistor yang lebih kecil terpasang seri dengan LED. Atau mungkin kita menggunakan IC yang memiliki keluaran lebih lemah 74HC14, dan bukannya yang direkomendasikan 74AC14. Jika putaran potensiometer tidak bekerja sesuai dengan harapan, seperti diputar ke kiri justru membuat LED makin terang, dan bukannya redup. Hal ini disebabkan keluaran dari gate inverter dibalik lagi oleh gate logika yang kedua. Hal ini membuat keluaran menjadi kebalikan dari sinyal aslinya.