SISTEM INTERFACE I/O ANTARA
SISTEM DIGITAL & ANALOG
Oleh: Susanto Wibisono Koselan
Penggunaan
komputer saat ini tidak lagi terbatas pada pengolahan dan manipulasi data saja
tetapi sudah digunakan untuk mengkontrol berbagai peralatan seperti penghitung
pulsa telepon, menyalakan/mematikan lampu secara otomatis, dan lain sebagainya.
Dengan penggunaan komputer seperti yang telah disebutkan di atas maka
seolah-olah komputer berperan sebagai manusia yang dapat diprogram untuk
menjalankan apa yang dikehendaki oleh programmernya.
Antara sistem digital (sebagai
pengontrol) dan sistem analog (sebagai peralatan yang dikontrol) harus terdapat
suatu jembatan yang menghubungkan kedua sistem tersebut. Jembatan ini
selanjutnya disebut sistem interface IO.
Jadi untuk sistem kontrol secara
digital ini selalu terdiri dari 3 bagian yaitu : sistem digital, sistem
interface IO dan sistem analog. Sistem digital merupakan sistem yang menjadi
otak dari sistem secara keseluruhan. Sistem digital ini membaca kondisi dari
sistem analog melalui sistem interface IO dan mengkontrol sistem analog
melalui sistem interface IO.
Sistem kontrol secara digital ini
menggantikan sistem kontrol manual yang menggunakan switch mekanik dan diatur
secara manual pula. Selain itu dengan sistem kontrol secara digital ini,
kondisi sistem analaog yang dikontrol dapat pula dimonitor keadaannya. Sistem
analog merupakan bagian dari peralatan analog yang aktivitasnya dikontrol oleh
sistem digitalnya melalui sistem interface IO. Sistem analog dapat berupa lampu
bolam 220 volt, motor AC, bahkan sampai ke peralatan industri yang menggunakan
arus besar.
Disini terlihat bahwa sistem
interface IO sangat penting peranannya yaitu untuk menginterfacekan sistem
digital yang hanya mengenal kondisi ‘H’, yang ekuivalen dengan tegangan 4.5 volt
sampai 5 volt dan kondisi ‘L’ yang setara dengan tegangan dibawah 1.2 volt
dengan sistem analog dengan tegangan 220 VAC dengan konsumsi arus yang paling
tidak 1A ke atas.
Dari kondisi seperti di atas maka
perlulah bagian digital dan bagian analog ini dilewatkan sistem interface yang
secara elektronik terisolasi antar bagiannya. Teknik interface IO disini ada
beberapa teknik dan tiap teknik tersebut mempunyai keistimewaan pada aplikasi
tertentu.
Contoh Aplikasi
Dengan menggunakan sebuah PC
diharapkan dapat mengkontrol 10 buah titik lampu yang menyala/mati pada jam-jam
tertentu. Melalui sebuah PPI card (dengan menggunakan chip PPI 8255) dapat
dikontrol 24 buah beban. Output PPI adalah TTL level sedangkan untuk lampu yang
digunakan adalah lampu TL biasa. Untuk menginterfacekan antara PPI (sistem
digital) dengan lampu (sistem analog) digunakan relay 5volt.
Contoh aplikasi ini adalah salah
satu contoh penggunaan relay sebagai interafce antara sistem digital dan sistem
analog.
Sistem Interface I/O
Sistem interface I/O yang paling
baik adalah sistem interface dimana sistem digital dan sistem analognya
terisolasi, terpisah. Biasanya digunakan relay atau optocoupler. Penggunaan
relay lebih mudah namun lebih sering menimbulkan masalah karena relay dapat
menghasilkan noise pada sistem digital pada saat relay berubahan keadaan.
Selain itu penggunaan relay membutuhkan daya yang lebih besar jika dibandingkan
dengan penggunaan optoisolator.
Sistem interface yang baik pada
umumnya menggunakan optoisolator atau yang lebih dikenal dengan optocoupler
sepert 4N31 atau 4N35. Dengan menggunakan optocoupler arus yang digunakan lebih
sedikit paling tidak 10 mA -15 mA.
Gambar 1 Blok Diagram
Penggunaan optocoupler seperti 4N35
lebih disukai daripada penggunaan relay secara langsung.
Optoisolator
Optoisolator merupakan komponen
yang digunakan sebagai komponen kontrol I/O untuk peralatan yang beroperasi
dengan tegangan DC atau AC. Sebuah optocoupler terdiri dari GaAs LED dan
phottransistor NPN yang terbuat dari silicon. Untuk rangkaian penggunaan
optoisolator dapat dilihat pada gambar 3a dan 3b.
Pada gambar 3a. optoisolator
mendapat input TTL berbentuk sinyal kotak sehingga outputnya juga berupa sinyal
kotak namun level tegangan berubah menjadi 0-+24 volt.
Gambar 2 Optoisolator
Gambar 3 Penggunaan Optoisolator
Pada gambar 3b optoisolator
digunakan pada input yang termodulasi dengan tegangan Vin terisolasi dengan Vout
modulasi yang tegangan puncaknya +12V.
Faktor yang paling penting pada
interface I/O terutama untuk beban yang menggunakan tegangan AC maka isolasi
merupakan hal yang paing penting dan harus diperhatikan dalam disain. Sistem
digital menggunakan level tegangan +5volt sedangkan beban menggunakan tegangan
220VAC. Perbedaan tegangan ini sudah cukup untuk menyebabkan sistem kontrol
digital, PC misalnya, untuk rusak jika port pada komputer ini menerima tegangan
imbas dari beban 220VAC.
Gambar 4 Aplikasi Optoisolator
Dengan skematik pada gambar 4,
optoisolator mendapatkan tegangan 115VAC namun arusnya dilewat hanya 8mA dan
arus sebesar ini sudah cukup untuk membuat phototransistor aktif dan logika yang
diterima inverter menjadi ‘low’. Dengan rangkaian ini kita mendapatkan pulsa
periodik dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi tegangan PLN 50/60Hz tetapi
berbentuk pulsa kotak. Dengan adanya pulsa pada Pulse Out maka dapat dipastikan
bahwa masih ada tegangan pada jaringan PLN sedangkan jika sudah tidak terdapat
pulsa lagi maka dapat dipastikan tegangan jaringan PLN adalah 0 VAC.
Kerugian atau keburukan dari
optocoupler adalah pada kecepatan switchingnya. Hal ini disebabkan karena efek
dari area yang sensistif terhadap cahaya dan timbulnya efek kapasitansi pada ‘junction’-nya.
Jika diperlukan kecepatan switching yang cukup tinggi maka optoisolator harus
dikonfigurasikan sehingga yang digunakan adalah sebagai photodiode-nya seperti
tampak pada gamabr 5.
Gambar 5 Diode-Diode Optocoupler
Cara lain untuk melakukan isolasi
antara rangkaian tegangan tinggi dengan rangkaian tegangan rendah adalah
menggunakan relay. Kelemahan dari relay adalah harga sebuah relay dengan
kapasitas arus yang besar cukup mahal, ukuran dimensi relay besar sehingga PCB
yang digunakan semakin besar pula, menimbulkan sinyal noise, dan responnya
lambat. Sedangkan dengan menggunakan optocoupler, ukurannya kecil sehingga
ukuran PCBnya menjadi lebih kecil dan pada akhirnya perlatan tersebut menjadi
kecil pula, kecepatan responnya lebih cepat.
Penggunaan Solid State Relay (SSR)
Pada pembahasan di atas, relay
tetap dapat digunakan namun untuk saat ini lebih disukai penggunaan solid state
relay karena ada dua pertimbangan yaitu efek noise yang ditimbulkan tidak
terlalu besar dan harga solid state relay relatif lebih murah dari pada sebuah
relay dengan kualitas yang sama.
Gambar 6 Rangkaian Ekuivalen Solid State Relay
Ada satu faktor lagi yang perlu
diperhatikan untuk mengendalikan beban yang menggunakan tegangan AC. Yaitu pada
masalah waktu aktivasinya. Karena tegangan untuk AC selalu berubah-ubah maka
aktivasi pada solid state relay harus dilakukan pada saat tegangan AC pada saat
mendekati nol volt. Tujuannya adalah untuk memperpanjang umur solid state itu
sendiri karena jika aktivasi SSR ini pada saat tegangan AC nya berada pada
tegangan 220VAC misalnya, maka akan timbul ‘surge current’ yang
dapat menimbulkan arus yang sangat besar dan pada akhirnya menyebabkan solid
state relay tersebut rusak.
Untuk mengatasi hal tersebut di
atas maka untuk penggunaaan solid state relay harus pula diserta dengan
rangkaian zero crossing detector. Rangkaian zero crossing detector ini akan
mendeteksi kapan tegangan VAC ini pada nilai nol volt. Dengan adanya
pemberitahuan keadaan ini maka kapan aktivasi solid state relay dapat
ditentukan dan solid state relay dapat bekerja dengan baik.
Gambar 7 Rangkaian Zero Crossing (Isolated)
Pada gambar 7 merupakan rangkaian
zero crossing detector yang menggunakan sistem yang terisolasi dengan
menggunakan transformer step down. Teknik ini paling aman digunakan namun biaya
pembuatannya relatif lebih mahal karena masih menggunakan transformer.
Dengan adanya rangkaian sistem
interface antara tegangan tinggi dan tegangan rendah maka diharapkan tidak
terjadi rusaknya port mikrokontroller atau PC karena mendapat imbas tegangan
tinggi dari aplikasi seperti motor AC.
