Sistem Kontrol Analog Suhu Mesin Mobil dengan Op-Amp (Operational Amplifiers)

Print
Category: Ototronik
Last Updated on Friday, 14 February 2014 Published Date Written by Trigas Badmianto, ST

Sistem Kontrol Analog Suhu Mesin Mobil

dengan Op-Amp (Operational Amplifiers)

Dalam sistem kontrol analog, pengontrol tersusun dari piranti atau rangkaian analog yang tradisional, kebanyakan memakai penguat linear (linear amplifier). Dalam aplikasi ini banyak digunakan Op-Amp untuk menyusun unit rangkaian pengontrol tersebut, karena kita bisa dengan mudah merepresentasikan rumus matematis yang kita rancang ke dalam rangkaian Op-Amp. Dari sini pasti muncul pertanyaan, bagaimana kita merancang sistem kontrol analog ? Tulisan berikut ini akan membahas mengenai perancangan dan penerapan sistem kontrol untuk mengontrol suhu kerja mesin.

 

Pada awalnya, sistem kontrol yang dibuat, bersifat analog karena teknologi analog adalah satu-satunya yang tersedia pada saat itu. Ada beberapa kelebihan pada sistem kontrol analog, misalkan pada setiap perubahan, baik pada referensi (main set) maupun pada umpan-baliknya, dapat terindera secara cepat dan oleh rangkaian pengontrol (kontroler), langsung diolah yang kemudian akan diteruskan sinyal outputnya ke aktuator. Hal inilah yang membedakan dengan sistem kontrol digital. Karena pada sistem kontrol analog, sinyal yang diperoleh, diproses oleh unit pengontrol tanpa memerlukan waktu yang lama untuk diteruskan ke piranti lainnya. Sedangkan pada sistem digital, sinyal yang didapatkan dari sensor harus diolah dulu supaya bisa dibaca oleh unit pengontrol (mikrokontroler) untuk kemudian diolah oleh sebuah program, dan ini tentunya memerlukan waktu untuk memprosesnya.

 

Description: Description: Gb%209

Gambar 1 Blok diagram sistem kontrol suhu engine

 

Sebagai contohnya, mari kita membuat sistem kontrol suhu mesin pada mobil. Pertama kali harus dibuat adalah membuat blok diagram sistem kontrolnya. Blok diagram ini bisa dijelaskan sesuai pada Gambar 1. Tampak bahwa sistem ini merupakan sistem kontrol loop tertutup. Hal ini bisa diamati dengan adanya umpan balik yang diberikan dari keluaran engine (berupa besaran suhu) ke pembanding (+/-) sebelum masuk ke kontroler. Tentunya agar besaran mekanis bisa diolah secara elektronik, maka diperlukan sebuah sensor yang mampu merubah besaran suhu (oC) menjadi besaran listrik, yaitu tegangan dengan satuan Volt.

 

Bagaimana strategi kontrol yang diterapkan dalam sistem ini. Hal ini akan dijelaskan sebagai berikut. Suhu referensi yang menjadi tujuan dari sistem ini, mempunyai harga yang tetap. Sebagai misal kita tentukan nilai suhu referensi adalah 80 oC. Nilai ini adalah harga yang disarankan pada engine yang bekerja, atau disebut suhu kerja engine. Dengan kata lain, diharapkan bahwa suhu sebenarnya pada engine nanti adalah disekitar 80 OC, tidak boleh kurang maupun lebih dari 80 oC.  Ada lingkaran dengan tanda +/-, ini disebut pembanding. Fungsi dari komponen ini adalah membanding-kan  suhu engine yang terbaca oleh sensor dengan suhu referensi yang diberikan. Sehingga dengan memakai persamaa yang sederhana yaitu pengurangan suhu referensi dengan suhu terbaca, maka akan didapatkan nilai error tertentu.

 

Description: http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/images/gbartikeldep65/trigas/A1Gambar1a.jpg

 

 

Tampak pada blok diagram Gambar 1, bahwa kontroler yang dipakai adalah kontroler ON/OFF. Sehingga nilai error yang didapatkan dari kalkulasi di atas, maka akan kita dapatkan ada tiga kemungkinan yang ada, yaitu :

1.   Error bernilai negatif.

2.   Error bernilai positif.

3.   Error bernilai nol.

 

Dari tiga kemungkinan ini, maka kontroler akan mengambil keputusan, apakah aktuator akan di ON ataukah di OFF kan. Aktuator berfungsi untuk merubah sinyal perintah yang berasal dari kontroler menjadi sinyal aksi yang akan diberikan ke engine. Aktuator diperlukan karena sinyal perintah yang berasal dari kontroler tidak mampu untuk menggerakkan kipas secara langsung, karena memang sinyal yang berasal dari kontroler merupakan sinyal yang lemah. Sehingga dalam hal ini memerlukan transistor power agar mampu men-ON kan kipas.

 

Disamping transistor power maka agar suhu engine bisa menurun, maka diperlukannya angin yang berhembus ke sistem radiator untuk mendinginkan air yang tentunya mengalir ke dalam engine dan menyerap panas engine untuk dikeluarkan lagi ke radiator. Maka diperlukan kipas untuk merubah sinyal listrik menjadi hembusan angin. Kipas merupakan salah satu bentuk aktuator juga. Kemudian bagaimana yang terjadi dengan temperatur engine. Suhu sebenarnya yang dihasilkan oleh engine bisa bervariasi. Bisa dingin, sedang ataupun tinggi. Hal inilah, kenapa sistem kontrol ini diperlukan. Apabila sistem kontrol ini berfungsi dengan baik, tentunya suhu sebenarnya akan berkisar didaerah 80 oC. Seperti sudah diketahui bahwa kenapa suhu kerja engine harus di sekitar 80 oC. Pada kondisi temperatur rendah maka kerja dari engine tidak bisa menghasilkan power yang optimal, begitu juga jika temperature tinggi. Jika temperature sangat tinggi, terjadi overheating, maka akibatnya akan sangatlah fatal. Hal ini bisa menyebabkan kerusakan pada engine. Sehingga dengan adanya sistem kontrol ini, diharapkan temperatur pada engine selalu berada di suhu kerjanya. Setelah dibuat blok diagram, maka mari kita buat rangkaian elektronikanya.

 

Pada umpan balik, ada sensor suhu dengan tipe NTC. Tentunya agar bisa dirubah menjadi sinyal tegangan, maka diperlukan rangkaiannya. Rangkaian tersebut bisa ditunjukkan pada Gambar 2. Tampak pada gambar tersebut bahwa rangkaian yang ada adalah rangkaian pembagi tegangan atau disebut rangkaia devider. Sehingga tegangan yang terbaca oleh Electronic Control Unit (ECU) atau Electronic Control Modul (ECM) didapatkan persamaan :

 

Vo = (RECT / (RECT + RECU)) * 5 Volt

 

Harga RECU tergantung dari desain yang dibuat. Bisa dibuat dengan nilai 1 kΩ  -  5 kΩ.

 

Description: Description: Gb%209

Gambar 2 Rangkaian sensor temperature yang sederhana

 

Description: http://www.vedcmalang.com/pppptkboemlg/images/gbartikeldep65/trigas/A1Gambar3.jpg

Gambar 3 Hubungan antara temperatur dengan nilai hambatan yang dihasilkan

 

Semakin besar temperatur, maka semakin kecil hambatan RECT, sehingga akan didapatkan nilai tegangan Vo yang semakin kecil. Sebaliknya jika temperature engine semakin kecil, maka semakin besar hambatan RECT sehingga semakin besar pula tegangan Vo yang dihasilkan. Dengan kata lain ada hubungan berbanding terbalik antara besaran temperatur dengan tegangan listrik yang dihasilkan. Hubungan antara temperatur dengan nilai hambatan yang dihasilkan bisa diperhatikan pada Gambar 3.

 

Description: Description: Gb%209

Gambar 4 Rangkaian devider dengan potensiometer untuk membentuk suhu referensi.

 

Sedangkan suhu referensi bisa kita buat dengan memakai rangkaian devider. Tegangan keluaran dari rangkaian devider (suhu referensi), harus stabil. Sehingga power supply 5 Volt yang dilewatkan regulator diperlukan agar didapatan harga yang tidak berubah-ubah. Dengan menghubungkan kedua ujung potensiometer ke sumber 5 Volt dan ground, maka terminal tengah dari potensiometer sudah menghasilkan tegangan tertentu yang kita inginkan. Tegangan inilah yang menjadi nilai dari besaran suhu referensi pada blok diagram sistem kontrol di atas. Nilai dari Vo pada Gambar 4 diatur supaya harganya merepresentasikan nilai temperatur 80 oC. Kita asumsikan bahwa relasi antara temperatur sebenarnya dengan tegangan temperatur terukur sesuai dengan Gambar 5. Tampak bahwa pada suhu 80 oC didapatka Vo sebesar 2 Volt.

 

Description: Description: Gambar%209

 Gambar 5 Hubungan antara suhu sebenarnya dengan tegangan terukur

 

Sehingga suhu referensi harus kita atur agar bernilai 2 Volt. Tentunya mengatur nilai ini dengan merubah nilai dari kedua resistor yang berada di dalam potensiometer dengan cara memutar pegangan potensiometer.Kemudian bagaimana dengan rangkaian pembanding dan kontrolernya. Tampak pada Gambar 103 kontroler dan pembanding di selubungi oleh garis putus-putus. Dengan menggunakan rangkaian komparator (lihat bagian 1.6.2.2.4) maka pembanding dan kontroler (ON/OFF) bisa dijadikan menjadi 1 rangkaian komparator dengan menggunakan Op-Amp.  Dengan melihat Gambar 85, maka dengan adanya tiga kemungkinan dari nilai error, yaitu positif, negatif dan nol, maka bisa kita tentukan dimana harus kita sambungkan suhu referensi, suhu terbaca ke masing-masing terminal input dari Op-Amp.

 

Pada kondisi awal sebelum engine running maka suhu temperature adalah dingin dimana tegangan suhu yang terukur masih di atas 2 Volt. Sehingga kipas harus dalam kondisi OFF (kondisi Vo > 2 Volt). Sehingga sinyal perintah dari kontroler yang berupa rangkaian komparator Op-Amp harus menghasilkan nilai 0 Volt. Jika mobil distarter, maka engine akan running, tentunya karena terjadi pembakaran maka timbul panas. Semakin lama, temperatur akan panas sehingga suhu engine akan mendekati 80 oC dimana tegangan Vo akan mendekati 2 Volt. Selama suhu engine belum di atas 80 oC, maka kondisi kipas akan tetap OFF (sinyal perintah = low). Sampai jika suhu temperatur di atas 80 oC maka kipas harus ON (sinyal perintah = high). Hal ini mengandung maksud agar terjadi proses pendinginan. Kejadian ini akan terus berlangsung terus menerus sampai posisi kunci kontak mobil di OFF kan. Dari keterangan tersebut bisa kita simpulkan, yaitu sebagai berikut :

1.      Temperature < 80 oC.

Vo > 2 Volt, maka kipas OFF

2.      Temperature > 80 oC.

Vo < 2 Volt, maka kipas ON

3.      Temperature = 80 oC.

Vo = 2 Volt, maka kondisi kipas sama dengan sebelumnya.

 

Dari ketiga kemungkinan ini, maka bisa dibuat rangkaian komparator seperti terlihat pada Gambar 6. Dari masing-masing penjelasan di atas, maka bisa kita gabungkan rangkaian lengkap dari sistem kontrol analog suhu engine seperti terlihat pada Gambar 7.

 

Description: Description: Gb%209

Gambar 6 Rangkaian komparator Op-amp dengan permasalahan

pada sistem kontrol suhu engine

 

Description: Description: Gb%209

Gambar 7 Rangkaian elektronik untuk sistem kontrol suhu engine

 

 

Copyright 2019. Powered by Humas. PPPPTK BOE MALANG