Tag Archives: electronic

Last updated by at .

Measuring the response of the electric water heater using the Arduino

This post describes how to measure the response of the electric water heater using the Arduino. By using simple program on the Arduino is very simple to read the output of the temperature response. Arduino has a 10bit ADC accuracy is used to read the output of the LM35 temperature sensor.

The output voltage of the LM35 sensor is amplified using the LM358 with a voltage gain of 5.47. While the output voltage of the LM35 is 10mV per degree centigrade. So the total output voltage LM398 is 5.47x10mV = 54.7mV per degree centigrade.

Arduino simple program are as follows: 

To read the temperature using the Arduino ADC channel 0 (A0). Results of ADC convertion is sent in serial with baudrate of 115200baud. By using hyperterminal program, the conversion result is stored in a file in text format form. 

 Measurement steps

  1. Upload arduino program to arduino board
  2. Fill water with water and setup the water flow about 6ml/sec
  3. Connect output of temperature sensor to A0 of arduino
  4. Run hyperterminal and setup the filename to capture data
  5. Start no power on elektric heater for some seconds
  6. Start power of electric heater for some minutes
  7. Remove power of electric heater for some minutes
  8. Stop hyperterminal
  9. Graph the results using scilab

The result of temperature outputs can be downloaded here.

Graph the results using scilab 

 By using the Scilab command in the console such as the following, the response will be obtained graphically.

// read file
-->sh=read_csv("D:\TA\AFRI\PENGUJIAN\capture1.txt");

// convert to matrix
-->d=evstr(sh);

// check size of matrix
-->size(d)
 ans  =

    2652.    1.  

// make matrix of time with sampling about 2ms
-->t=0:0.002:2651*0.002;

// check size t matrix must same with d matrix
-->size(t)
 ans  =

    1.    2652.  

// convert to voltage, fullscale of adc = 5Volt
-->v=(d/1024)*5;

// convert to output voltage of LM35
-->v_sensor=v/5.47;

// convert to exact temperature with 10mv per centigrade
-->tc=(v_sensor*1000)/10;

// plot data
-->plot2d(t,tc,style=5)
-->xgrid()

-->title("Step Responses of Water Heater")

-->xlabel("Number of Samplings")

-->xlabel("Time in second")

-->ylabel("Temperature of water heater fluid (centigrade)")

 

Posted in Electronics | Tagged , , , | Leave a comment

High Voltage and Current isolated PWM switching

 

I just finished doing some experiments on high voltage and current isolated pwm switching. This actually starts the need for a dc electric actuators to be installed within the heat exchanger control system. 

The need to serve the electric heater actuator, with a 300 Watt power operates at a voltage of 220VAC. In my mind, I would use an electronic method of DC chopper.  To set the pulse width is used by pwm, which will be controlled via an Arduino microcontroller ATmega 328. Finally came the other requirements of the actuator system must be optically isolated, so the ground to be separated. This is usually to avoid EMI (electromagnetic interference). For switching, there are three options are SCR, MOSFET or IGBT. While the optical isolation, I make sure to choose 4N35.

After 3 days of my designs and try it out, finally got it perfect. Through this post, I will share my experiences to all visitors who need these actuators.

How it works

This simple system without a transformer, the voltage source is directly rectified by the B1 and C1 to reduce the ripples. R1 and R2 form a voltage divider circuit, serves to provide a low voltage dc supply components for 4N35. 4N35 will be supplied with a DC voltage of 12V. However, the voltage on R2 is made higher than 12V to keep the possibility of fluctuations in voltage 220VAC. These fluctuations are usually 10 percent. So at about 200VAC voltage, DC voltage at R2 must be greater 12V.

Furthermore, components R3 and D1 form a circuit for cutting / create a stable voltage to 12V by the zener diode 12V. R3 is used to reduce the current flowing in the zener when the voltage on R2 above 12V. Voltage at the zener diode fed into the circuit R4 and C2 to eliminate riple as a lowpass filter.

12V voltage is then fed to the collector of the 4N35 as the supply voltage.  Emitter of 4N35 in series with R5, so that when the LED is not given voltage, the emitter voltage is zero. This is so when the LED is not given voltage, the output is 0 volts to MOSFET (N) or IGBT (N), and not in an active condition. In short, the input and output 4N35, not as an inverting logic. R6 is a series resistor when the transistor becomes active from 4N35, a pullup to 12V. The value of R6 is selected adjustable voltage requirements of the MOSFET or IGBT Gate.

Lastly, R7 aims to reduce the LED current of 4N35, of course, adjust your PWM peak voltage.

Value of Components

Lastly, R7 aims to reduce the LED current of 4N35, of course, adjust your PWM peak voltage. 

  1. R1 = 220K/1W, R2 = 20K/1W, R3 = 2K2/1W, R4 = 470/1W, R5 = 47K/0.5W, R6 = 47/0.5W, R7 = 100/0.5W
  2. C1 = 220uF/350V, C2 = 47uF/25V.
  3. OP1 = 4N35
  4. Q1 = IGBT HGTG18n120 / 1600V /30A

 

 


Posted in Electronics, Elektronika | Tagged , | 2 Comments

Filter Low Pass: aplikasi pada sensor temperatur

Isi materi ini ditujukan untuk berbagi ilmu pengetahuan kepada semua pengunjung blog ini.
Silakan digunakan untuk kepentingan proses pembelajaran untuk mencerdaskan bangsa ini dengan tidak lupa menyebutkan sumbernya.
Namun yang harus dihindari adalah: mengambil isi dengan mengakui sebagai haknya, mengambil isi untuk tujuan komersialisasi.
Semua tergantung kepada hati-nurani, jika terjadi saya berkewajiban mengingatkan para plagiator. Biasakan sesuatunya terlahir dari tangan anda, itu menunjukkan bahwa anda ada dan anda diberi hidayah sebagai ciptaanNya yang paling mulia untuk memberikan manfaat di dunia ini. Biasakanlah memberikan manfaat kepada orang lain, dan jangan membiasakan memanfaatkan orang lain.

Sensor temperatur sering digunakan sebagai umpan balik pada sistem kontrol temperatur. Sensor sangat penting dalam sistem kontrol, harus memiliki kepresisian yang baik dan harus stabil. Dalam aplikasinya sensor temperatur mengubah temperatur menjadi tegangan. Namun tegangan yang dihasilkan oleh sensor selalu disertai dengan sinyal-sinyal diluar dari informasi yang sebenarnya.

Sebagai contoh sensor temperatur LM35, merupakan sensor elektronik yang kompak dan murah harganya dapat digunakan sebagai senor temperatur dalam sistem kontrol. Sensor ini memiliki kepresisian 10mV/oC. Biasanya sensor ini diperpanjang dengan menggunakan 3buah kabel jalur tegangan dc +- dan jalur keluaran sensor. Sinyal noise akan dihasilkan karena adanya perpanjangan kabel dan akan membuat kesalahan pada sistem umpan balik.

Untuk menghilangkan sinyal-sinyal yang bukan informasi dari temperatur digunakan filter low pass. Yang paling murah menggunakan komponen pasip R dan C  yang diletakkkan pada ujung paling akhir dari perpanjangan kabel menuju ke pengkondisi sinyal.

Adapun rangkaian pasip RC low pass filter diperlihatkan dalam gambar berikut ini:

 

Dari rangkaian filter low pass diatas dapat ditulis persamaan sebagai:

Dimana:

  •   adalah tegangan keluaran filter.
  • adalah sinyal tegangan berasal dari keluaran sensor temperatur.
  • adalah impedansi dari kapasitor.
  • adalah impedansi dari Resistor.

 

 Selanjutnya untuk mendapatkan tegangan keluaran secara statis, persamaan dapat dituliskan kembali menjadi:

Salah satu contoh dalam aplikasi yang saya posting disini, menggunakan dan . Maka hasil perhitungan untuk tegangan masukan sebesar 5 volt adalah:

Pada frekwensi = 5Hz

Pada frekwensi 400Hz 

 

Agar lebih mudah menggambarkan respon keluaran sebagai fungsi frekwensi, digunakan parameter s, kemudian dengan menggunakan fungsi bode dalam SCILAB, respon keluaran akan mudah digambarkan dalam kawasan frekwensi.

Fungsi alihnya dapat dituliskan kembali menjadi:

Perintah scilab mencari tanggapan frekwensi dan tanggapan fasa adalah sebagai berikut:

-->clear all;

-->s=%s
 s  =

    s   

-->G=syslin('c',1,10^-5*s+1)
 G  =

         1
    -----------
    1 + 0.00001s    

-->bode(G,0,100000)

 

Frekwensi cutt-off pada penguatan -3db berada pada sekitar 10KHz, atau sinyal yang diloloskan pada 0 db sampai pada frekwensi 100Hz. Ini sudah cukup pada sebagai umpan balik pada sistem kontrol temperature dengan frekwensi sampling maksimal 50Hz atau 20mS. Paling tidak dengan waktu sampling 50mS sinyal umpan balik sudah bisa mengikuti respon temperatur plant dengan penguatan 0 db.

 Dibuat oleh: Bambang Siswoyo

 

Filter low pass diatas memiliki orde 1. Agar penurutan penguatan menjadi lebih tajam digunakan orde 2 dengan menyusun 2 filter low pass secara kaskade. Sebagai contoh dua filter low pass dihubungkan secara kaskade diperlihatkan dalam gambar berikut ini.

Untuk mencari fungsi alihnya dapat dituliskan sebagai berikut:

 

Dengan menggunakan scilab dapat diperoleh fungsi alih totalnya dengan perintah sebagai berikut:

-->s=%s
 s  =

    s   

-->ZR1=1000;

-->ZC1=1/(10*10D-9*s);

-->ZR2=500;

-->ZC2=1/(10*10D-9*s);

-->G1=ZC1/(ZR1+ZC1);

-->G2=ZC2/(ZR2+ZC2);

-->GT=G1*G2
 GT  =

                 1.000D-14
    -----------------------------------
                                       2
    1.000D-14 + 1.500D-18s + 5.000D-23s   

-->G=syslin('c',GT)
 G  =

                 1.000D-14
    -----------------------------------
                                       2
    1.000D-14 + 1.500D-18s + 5.000D-23s   

-->bode(G,0,100000) 

Adapun respon frekwensinya diperlihatkan sebagai berikut:

Kesimpulan

Pada filter orde dua atau dua kaskade memiliki penurunan fasa paling curam jika dibandingkan dengan filter orde satu. Kecuraman penguatan  sangat diperlukan pada filter,karena akan semakin mendekati filter ideal.

Posted in Electronics | Tagged , , | 2 Comments