H-Bridge IC

.
Baca dulu INTRODUCTION H-BRIDGE.

Membuat H-Bridge menggunakan IC sering diaplikasikan pada mobil robot karena ukuran yang kecil, mudah penggunaannya, kompatibel dengan port mikrokontroler, dan dapat diimplementasikan menggunakan PWM dengan frekuensi yang tinggi.
Pada 1 buah IC telah dapat mengendalikan 2 buah motor DC sehingga IC lebih tepat penggunaannya untuk aplikasi mobil robot yang akan saya paparkan nantinya.
Saya hanya akan membahas H-Bridge menggunakan IC L293 dan L298.

IC L293

Ada 2 tipe IC L293 yang saya ketahui yaitu L293 dan L293D, perbedaanya yaitu
a. L293 arus maksimum mencapai 1 A sedangkan L293D arus maksimum mencapai 600 mA
b. L293 tidak memiliki dioda internal sedangkan L293D memiliki dioda internal.

Dari data diatas jika anda mengendalikan motor DC dengan arus kurang dari 600 mA maka gunakan L293D karena telah memiliki dioda internal yang berarti tidak perlu menambahkan rangkaian dioda tambahan. Tetapi jika arus lebih dari 600 mA maka gunakan L293 dan harus ditambahkan dioda eksternal yang akan melindungi IC dari kerusakan.
Saya hanya akan membahas IC L293 karena prinsipnya sama dengan L293D tetapi arusnya lebih besar.

Rangkaian schematik pada Gambar 1 adalah rangkaian separuh dari IC L293 yang mengendalikan 1 buah motor DC dengan rangkaian H-Bridge. Pengaturan arah pergerakan motor DC dengan mengimplemetasikan logika pada pin-pin IC L293 seperti pada tabel gambar 1.

Rangkaian Schematik pada gambar 2 adalah rangkaian pengendalian 2 buah motor DC yaitu M1 dan M2. Implementasi pergerakan motor tersebut seperti tampak pada tabel gambar 2.
Jangan lupa spesifikasi pemilihan dioda harus memiliki waktu Recovery yang lebih cepat daripada waktu switching IC. Untuk IC L293 waktu transisinya (Transition Time, Low to high level output and high to low level output) adalah 300 nS sehingga Fast Recovery Diode trr <= 300 nS. Saya gunakan dioda tipe 1N4942 dengan waktu recovery hingga 150 nS.

IC L298

Rangkaian schematik pada Gambar 3 adalah rangkaian separuh dari IC L298 yang mengendalikan 1 buah motor DC dengan rangkaian H-Bridge. Pengaturan arah pergerakan motor DC dengan mengimplemetasikan logika pada pin-pin IC L298 seperti pada tabel gambar 3. Pengaturan gerak motor DC akan dibahas pada ROBOT----------.

Jika anda memperhatikan pada datasheet L298 maka terdapat sebuah resistor sense (RS) yang dipasang sebelum ground. Resistor ini berfungsi untuk "meraba" (sense) arus yang mengalir pada H-Bridge sebagai umpan balik pada kontroler, oleh sebab itu resistor ini (RS) bersifat optional yaitu boleh dipasang boleh tidak.
Jika anda memasang RS maka nilai resistor ini tidak boleh mengurangi arus yang mengalir pada H-Bridge hingga arus pada motor DC berkurang yang berakibat kecepatan motor DC berkurang bahkan motor DC tidak bergerak sama sekali.
Saya tidak memasang RS karena tidak membutuhkan umpan balik tersebut.

Jangan lupa spesifikasi pemilihan dioda harus memiliki waktu Recovery yang lebih cepat daripada waktu switching IC. Untuk IC L298 waktu transisinya (Transition Time, Low to high level output and high to low level output) adalah 200 nS sehingga Fast Recovery Diode trr <= 200 nS. Saya gunakan dioda tipe 1N4942 dengan waktu recovery hingga 150 nS

H-Bridge Transistor & Relay

.
Baca dulu INTRODUCTION H-BRIDGE.
Baca dulu H-BRIDGE RELAY.
Baca dulu H-BRIDGE TRANSISTOR.

Relay berupa saklar mekanis dapat dilalui arus dan tegangan besar akan tetapi tidak dapat mengguna PWM sedangkan Transistor dapat menggunakan PWM akan tetapi arus dan tegangan terbatas. Karena alasan tertentu atau kebutuhan tertentu (saya juga kurang tahu alasan apa) maka kombinasi relay dan transistor dapat dilakukan untuk membuat H-Bridge.
Gambar 1 adalah rangkaian kombinasi relay dan transistor pada H-Bridge, sisi kiri terdiri dari transistor PNP dan NPN sedangkan sisi kanan berupa 1 buah relay. Pada rangkaian schematiknya, penggunaan jenis dan tipe transistor sesuai dengan kebutuhan berdasarkan spesifikasi motor DC yang akan dikendalikan. Pengendalian relay cukup dengan logika 0 atau 1 dan pada transistor dapat diaplikasikan PWM dengan frekuensi PWM maksimum sebesar frekuensi transistor.

Pada rangkaian ini harus menggunakan 3 pin pada port mikrokontroler yaitu 1 untuk transistor NPN, 1 untuk transistor PNP, dan 1 untuk relay. Berbeda dengan sebelumnya yang bisa disederhanakan hingga hanya 2 pin saja. PWM di aplikasikan pada transistor PNP atau transistor NPN sedangkan relay berlogika 1 atau 0 dengan kondisi defaultnya (NC) harus kontak ke Ground.

H-Bridge Transistor

.
Baca dulu INTRODUCTION H-BRIDGE.

H-Bridge menggunakan transistor umum digunakan pada mobil robot, selain fleksibel dan ukuruan yang lebih kecil dari relay juga karena arus dan kecepatan switching bisa bervariasi tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Oleh sebab itu langkah awal sebelum membuat H-Bridge dengan transistor yaitu dengan mengetahui spesifikasi transistor yang dibutuhkan.

Saya mencari 4 hal pada transistor sebelum digunakan untuk H-Bridge:
a. Tegangan kerja maksimum transistor.
b. Arus yang mengalir dari Colektor ke Emitor.
c. Tegangan dan arus minimum pada basis untuk mengaktifkan transistor.
d. Frekuensi switching transistor.

Rangkaian H-bridge pada gambar 1 adalah rangkaian dasar H-Bridge menggunakan transistor jenis NPN dan PNP dengan transistor PNP diatas dan NPN di bawah, hal ini berkaitan dengan karakteristik transistor tersebut. Saya pernah mencoba menggunakan transistor NPN seluruhnya dengan menganggap bahwa transistor sebagai saklar saja, secara logika sesuai dan berfungsi tetapi kenyataannya motor DC tidak bergerak sama sekali karena saya tidak memperhatikan karakteristik transistor tersebut.

Sedangkan pada gambar 2, menggunakan transistor yang bertingkat yaitu menggunakan transistor untuk memicu transistor lainnya.
Perbedaan rangkaian gambar 1 dan gambar 2 yaitu tegangan dan atau arus yang akan dialirkan ke motor DC sehingga hal ini mempengaruhi jenis transistor yang akan digunakan.

Misal digunakan motor DC bertegangan 12 Vdc dengan arus 500 mA, jenis transistor yang digunakan adalah BC517 (NPN Darlington) dan BC516 (PNP Darlington) setelah dibuat rangkaian seperti gambar 1 kemudian cobalah. BC516 dan BC517 adalah transistor yang dapat aktif jika tegangan pada basis diberikan 5 volt dengan arus 20 mA, sehingga tegangan dan arus output pada mikrokontroler dapat memicu transistor ini tanpa rangkaian tambahan.

Sekarang misal digunakan motor DC 24 Vdc dengan arus 1,5 A, jenis transistor yang digunakan adalah TIP120 (NPN Darlington) dan TIP125 (PNP Darlington). Kedua jenis transistor ini dapat dipicu dengan tegangan 5 Vdc akan tetapi tidak dapat dipicu oleh arus yang dihasilkan port mikrokontroler, sehingga dibutuhkan transistor yang dapat dipicu oleh port mikrokontroler kemudian transistor ini yang selanjutnya memicu transistor TIP tersebut.
Pada gambar 2, digunakan transistor BC547 dan BC557 sebagai pemicu transistor TIP.
Sebenarnya untuk transistor jenis TIP ini, dengan menggunakan resistor PullUp 10 Kohm telah dapat mengaktifkan transistor jenis ini, arus tambahan diperoleh dari VCC.

Seperti yang saya paparkan pada bagian INTRODUCTION H-BRIDGE,
agar motor DC berputar ke kanan maka transistor Q1 dan Q4 ON sedangkan Q2 dan Q3 OFF dan agar motor DC berputar ke kiri maka transistor Q1 dan Q4 OFF sedangkan Q2 dan Q3 ON.
Untuk menghemat penggunaan port pada mikrokontroler dan mempermudah pada pemrograman, maka Basis transistor Q1 dan Q4, Q2 dan Q3 dapat digabung, dengan catatan pembagian arus yang akan mengalir pada setiap kaki Basis tersebut cukup untuk memicu setiap transistor.

4 buah dioda digunakan untuk melindungi tegangan dan arus yang dihasilkan oleh kumparan pada motor DC, dioda ini hukumnya wajib sebab jika tanpa dioda transistor akan rusak. Pemilihan jenis dan type dioda ini biasanya kurang diperhatikan padahal fungsinya sangat penting.

Jika merancang pengendalian motor DC yang hanya ON dan OFF maka untuk dioda cukup melihat arus maksimum yang dapat dilalui pada dioda, untuk motor DC kecil dioda tipe 1N4002 sudah cukup. Sedangkan jika pengendalian motor DC menggunakan PWM maka harus memilih tipe Fast Diode atau dioda kecepatan tinggi.
Alasannya adalah, saat menggunakan PWM maka transistor akan selalu berubah kondisi ON OFF dengan cepat sehingga motor DC pun akan ON OFF dengan cepat, tegangan dan arus balik yang dihasilkan motor DC pun akan cepat pula sesuai frekuensi PWM.
Oleh sebab itu dibutuhkan dioda yang waktu aktifnya cepat agar dapat melindungi transistor tersebut (fast recovery), sehingga dioda tipe 1N4942 (150 ns) digunakan. Karena fungsi dioda ini sebagai pengaman maka frekuensi aktif dioda harus lebih cepat daripada frekuensi switching transistor.

Mungkin anda pernah membuat H-Bridge motor DC yang ketika anda uji coba untuk bergerak ke kanan dan kekiri tanpa PWM berhasil dan stabil tetapi ketika menggunakan PWM tidak berfungsi, ada 2 hal penyebabnya :
A. Transistor rusak karena dioda memiliki frekuensi aktif yang lebih kecil dibanding frekuensi switching transistor dan frekuensi PWM lebih cepat dari frekuensi dioda.
Selama frekuensi PWM lebih kecil dari frekuensi aktif dioda maka masih aman.
B. Transistor berfungsi tetapi PWM tidak berfungsi, maksudnya ketika anda memberikan nilai PWM 255 dengan PWM 100 bahkan kurang, akan tetapi tidak terdapat perubahan pada kecepatan motor DC. Hal ini disebabkan karena frekuensi PWM lebih cepat dari frekuensi switching transistor sehingga transistor tidak dapat mengikuti kecepatan PWM.

H-Bridge Relay

.
Baca dulu INTRODUCTION H-BRIDGE.

Driver motor DC menggunakan relay sangat baik digunakan untuk menggedalikan mesin-mesin besar yang membutuhkan arus dan tegangan tinggi, tetapi syaratnya sistem membutuhkan respon waktu ON OFF yang tidak cepat dan tidak sering berubah kondisi dalam selang waktu tertentu.
Driver motor menggunakan relay tidak bisa dikendalikan menggunakan PWM yang akan ON OFF dengan frekuensi yang cepat, hal ini berdasarkan spesifikasi relay tersebut yang mempengaruhi pada ketahanan relay itu sendiri karena akan sering menyebabkan bunga api.
Kelemahan lain dari relay adalah relay menggunakan medan elektromagnetik untuk menarik saklar mekanis menjadi aktif sehingga dibutuhkan arus yang cukup besar agar saklar aktif dan juga arus ini harus diberikan terus menerus untuk menjaga saklar tetap ON, jika diaplikasikan pada mobil robot yang menggunakan baterai atau aki kering maka akan cepat menghabiskan power supply tersebut.

Ada juga SSR (Solid State Relay) yang dapat dilalui tegangan dan arus besar, tetapi saya belum pernah mencoba membuat H-Bridge dengan SSR sehingga tidak bisa komentar. Saya hanya pernah mengendalikan 8 buah Lampu 220 Vac yang berbeda (pijar, neon, dll) melalui port paralel menggunakan SSR dan umpan balik berupa optoisolator.

Pada gambar bagian INTRODUCTION H-BRIDGE telah menjelaskan rangkaian membuat H-Bridge menggunakan saklar dan hal sama berlaku pada relay karena relay berupa saklar elektromagnetis.
Masalahnya adalah bagaimana membuat Relay ON-OFF jika dikendalikan dari mikrokontroler yang tegangan outputnya 5 Volt dengan arus kecil.
- Mikrokontroler MCS51 Port 0 = 26 mA dan port lain 15 mA.
- Mikrokontroler AVR = 40 mA.












Rangkaian pada gambar 1 (kiri) dan 2 (kanan) memperlihatkan mikrokontroler mengendalikan pensaklaran pada transistor dan transistor mengendalikan pensaklaran Relay. Transistor ini berfungsi sebagai penguat daya, yaitu menambah tegangan (sesuai kebutuhan relay) dan arus agar dapat mengendalikan Relay.

Gambar 2 (kanan) menggunakan rangkaian transistor Darlington, kenapa?
Misal relay yang akan dikendalikan relay 12 Volt kemudian anda merancang seperti gambar 1, anda yakin rancangan dan program telah benar (setelah dicoba dengan relay lain) akan tetapi relay tidak ON-OFF. Hal ini bisa disebabkan karena arus yang mengalir pada kumparan relay tidak cukup untuk menghasilkan medan magnet yang akan menarik kontaktor.
Untuk menghasilkan arus yang lebih besar dapat dengan menaikkan arus pada power supply atau dengan manggunakan rangkaian transistor bertingkat atau rangkaian transistor Darlington dengan memanfaatkan prinsip penjumlahan arus pada percabangan.

Kumparan pada relay yang menghasilkan elektromagnetis menghasilkan tegangan dan arus yang dapat merusak transistor, oleh sebab itu dibutuhkan dioda pengaman yang akan mencegah tegangan dan arus tersebut mengalir menuju transistor. Dioda yang digunakan harus dapat dilalui arus yang sebanding dengan arus yang akan dialirkan pada relay agar tidak rusak.

Introduction H-Bridge

.
Bagi pembuat mobil robot yang pertama kali Ujung tombak dari mobil robot adalah pergerakan yang menggerakkan mobil robot.
Jika mobil robot sudah bisa jalan dan belum memiliki Logika pemrogramman atau nabrak sana sini, langsung dipamerkan ke temen-temen yang lain sambil kacak pinggang, serasa profesor.
(kadang-kadang perlu biar semangat belajar terus dan temen yang lain tertarik belajar jg).

Pada bagian ini sebaiknya anda serius karena Driver motor DC memang yang utama, sering rusak, dan sering merusak sistem elektronika lainnya. Jika anda belum bisa membuat Driver motor DC yang bagus dan stabil maka jgn membuat robot yang lebih kompleks.
Robot yang kompleks biasanya pusing di algoritma pemrograman dibanding pada rangkaian elektronika.

Maksudnya serius yaitu butuh kesabaran, mencari informasi yang banyak, memahami konsep rangkaian, jika terjadi kerusakan jgn lgs buat baru tapi cari penyebab kerusakannya dan analisa.

Pemilihan motor DC terserah anda tapi saya sarankan torsi besar kecepatan cukup dan membutuhkan supply yang cukup (12 Vdc atau 24 Vdc).

Perancangan H-Bridge atau driver Motor DC bisa dilakukan dengan 4 cara:
1. Menggunakan Relay DC.
2. Menggunakan Transistor.
3. Kombinasi Relay dan Transistor.
4. Menggunakan IC.

Dari keempat cara diatas masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan dan perancang harus dapat memilih dan menggunakan salah satu secara tepat berdasarkan rancangannya.
Saya akan memaparkan prinsip dasar dari H-Bridge.

Misalkan kita membuat H-Bridge menggunakan 4 buah saklar toggle biasa seperti gambar 1 dan pengaturan On-OFF saklar secara manual. Agar motor DC dapat berputar maka salah satu terminal harus diberikan SUPPLY dan terminal lain GND atau dengan kata lain harus ada 2 saklar yang ON dan 2 saklar lain harus OFF. Aliran arus dan tegangan terlihat seperti pada gambar 1.
Jika motor DC ingin diputar ke KANAN maka terminal 1 dan 4 ON sedangkan 2 dan 3 OFF, sebaliknya Jika motor DC ingin diputar ke KIRI maka terminal 1 dan 4 OFF sedangkan 2 dan 3 ON.

Berbeda dgn gambar 2 yang hanya menggunakan 2 saklar tetapi prinsipnya sama.
Jika motor ingin berhenti maka saklar 1 kondisi A dan saklar 2 kondisi C atau saklar 1 kondisi B dan saklar 2 kondisi D (kedua terminal motor tidak memiliki beda potensial).
Jika motor ingin berputar kekanan saklar 1 kondisi A dan saklar 2 kondisi D. Jika motor ingin berputar kekiri saklar 1 kondisi B dan saklar 2 kondisi C.

Dari gambaran ini sebenarnya H-Bridge hanya mengatur polaritas yang akan diberikan pada motor DC agar dapat berputar 2 arah (bolak-balik).

Untuk aplikasi tertentu seperti mengendalikan motor yang berarus dan bertegangan besar,
agar tidak merusak rangkaian kontroler maka rangkaian motor DC dan kontroler harus terpisah
(supply dan ground terpisah) menggunakan komponen seperti Optoisolator atau relay.

Oh iya hampir lupa H-Bridge dapat digunakan untuk mengendalikan motor stepper Bipolar
tapi tidak saya bahas lebih jauh.