Sakelar, sebuah titik mula [updated]

Tulisan ini adalah tulisan yang diperbaharui dari tulisan sebelumnya pada blog lama,
pikirsa.wordpress.com.

In the beginning there was a switch.

Di elektronika, AFAIK (As Far As I Know) komponen yang sering menjadi maskot adalah resistor. Dari tiga komponen pasif dasar, RLC (memristor masih belum dijumpai secara massal), R adalah rajanya. Tetapi di elektronika daya (power electronics), sering dilupakan bahwa sebenarnya sakelar justru menjadi sangat penting sebagai dasar untuk memahami komponen aktif yang lebih lebih kompleks.

Sakelar adalah dasar yang sederhana untuk memahami diode. Diode menjadi sangat penting untuk memahami DIAC maupun SCR. SCR menjadi dasar untuk memahami TRIAC. Begitulah “jalannya”, selangkah demi selangkah berurutan. Sayangnya seperti yang saya kemukakan dalam tulisan sebelumnya. Sistematis itu sering tidak diminati, dianggap bertele-tele padahal untuk banyak hal dalam sains (science) dan teknik (enginering) tidak sistematis itu sangat berbahaya dan terbukti sering mencelakakan. Kalaupun jalan pintas (short-cut) untuk sesaat tampak “menghasilkan” dengan cara yang menyenangkan, tapi jangka panjang (dan bahkan menengah) sering terbukti lebih banyak merugikan daripada menguntungkan.

Ini terutama penting bagi siswa dan mahasiswa, mereka yang sedang membangun dan membentuk dasar-dasar dan kerangka pemahaman yang baik dan benar. Jalan pintas itu bisa diambil terutama jika kita sudah punya dasar pemahaman. Misalnya, di sistem Android ada beberapa aplikasi elektronika yang memudahkan perhitungan.Kita tinggal memasukkan input tanpa perlu mengutak-atik persamaan secara manual. Tapi tanpa berusaha untuk memahami dasarnya, fasilitas bantuan ini sebenarnya justru mencelakakan.

Nah setelah yakin bahwa belajar dengan sistematis adalah jalan yang terbaik, setidaknya dalam pengertian urut komponen, maka kita bisa memulai bahasan mengenai sakelar.

[su_panel border=”2px solid #00FF99″ shadow=”1px 2px 2px #00FF99″ radius=”5″]

Menurut KBBI, definisi sakelar adalah:
sa·ke·lar n penghubung dan pemutus aliran listrik (untuk menghidupkan atau mematikan lampu)

[/su_panel] [su_panel border=”2px solid #00FF99″ shadow=”1px 2px 2px #00FF99″ radius=”5″]

Sedangkan menurut Oxford Dictionary of English, definisi switch (sakelar) adalah:
a device for making and breaking the connection in an electric circuit.

[/su_panel] [su_panel border=”2px solid #00FF99″ shadow=”1px 2px 2px #00FF99″ radius=”5″]

Menurut IEEE definisi sakelar (switch) lebih diperinci sebagai berikut:

(4) (electric and electronics parts and equipment) A device for making, breaking, or changing the connections in an electric circuit. Note: a switch may be operated by manual, mechanical, hydraulic, thermal, barometric, or gravitational means, or by electromechanical means not falling within the definition of “relay.”

[/su_panel] [su_panel border=”2px solid #00FF99″ shadow=”1px 2px 2px #00FF99″ radius=”5″]

Sedangkan definisi relay, masih menurut IEEE adalah:

(1) (general) An electric device designed to respond to input conditions in a prescribed manner and, after specified conditions are met, to cause contact operation or similar abrupt change in associated electric control circuits.
Notes:
1. Inputs are usually electrical, but may be mechanical, thermal, or other quantities, or a combination of quantities. Limit switches and similar simple devices are not relays. 2. A relay may consist of several relay units, each responsive to a specified input, with the combination of units providing the desired overall performance characteristic(s) of the relay.

(2) (electric and electronics parts and equipment) An electrically controlled, usually two-state, device that opens and closes electrical contacts to effect the operation of other devices in the same or another electric circuit.
Notes: 1. A relay is a device in which a portion of one or more sets of electrical contacts is moved by an armature and its associated operating coil. 2. This concept is extended to include assembled reed relays in which the armature may act as a contact. See also: switch.

[/su_panel]

Sakelar [sumber: Wikipedia.org]

Sakelar pushbutton [sumber: Wikipedia.org]

Dengan demikian secara sederhana sebuah saklar adalah sebuah pemutus atau penyambung. Bahkan sebuah kabel “jumper” dapat dipergunakan untuk menggantikan komponen sakelar yang sesungguhnya. Kemampuan daya hantar arus lalu bergantung pada bahan dan penampangnya.

Sebuah komponen switch ideal memiliki nilai tahanan sama dengan nol, sehingga jika dialiri arus maka tidak ada jatuh tegangan di antara kaki-kakinya. Tapi tentu saja komponen yang ideal seperti itu belumlah ada. Yang ada adalah sakelar yang nilai tahanannya amat kecil, dan untuk banyak keperluan dapat diabaikan. AFAIK, kita masih menunggu superkonduktor suhu kamar diproduksi massal dan berharga lebih terjangkau 🙂 .

Pada gambar berikut, diperlihatkan sebuah rangkaian sederhana dengan sebuah sumber tegangan dan dua resistor, tanpa sakelar. Sekali terhubung dengan catu daya arus akan terus mengalir melewati kedua resistor sampai catu dayanya kehabisan energi (semisal cell atau baterai) atau dilepaskan dari hubungan ke rangkaian.

Gambar berikut di bawah ini adalah contoh sederhana rangkaian pada gambar di atas yang telah diberi sakelar (switch). Pada pembahasan ini sakelar dimaknai secara sederhana sebagai penyambung dan pemutus pada rangkaian elektronik. Dalam simulasi dengan LTspice berikut, sebagai pengganti tangan manusia atau suatu sistem mekanis lainnya maka dipergunakan sumber sinyal (signal generator). Amplitudo dan frekuensi dari generator sinyal (sumber tegangan) akan mengendalikan kerja sakelar (switch).

Sedangkan gambar di bawah ini adalah waveform (gelombang) hasil percobaan rangkaian di atas.

Catu daya untuk rangkaian ini berupa tegangan DC yang stabil sebesar 12 Volt, asumsinya untuk simulasi ini sumber tegangan merupakan sumber tegangan ideal tanpa tahanan dalam.

Sakelar “Switch01” dikendalikan dengan menggunakan V(tegcontrol) dengan pengaturan sebagai berikut.

Sakelar “Switch01” yang dikendalikan “V(tegcontrol)” akan memutus dan menyambung rangkaian sederhana yang berisi resistor dan catu daya. Sebagai akibatnya, apakah ada arus yang mengalir untuk tiap saat (waktu) tertentu ditentukan oleh kondisi apakah pada saat itu sakelar sedang dalam kondisi tertutup (menyambung) atau terbuka (putus). Kondisi ini tergambar dalam bentuk gelombang pada I(S1) yaitu arus yang melintasi resistor dan sakelar. Juga bentuk gelombang tegangan pada V(nd1).

Bentuk gelombang I(S1) dan V(nd1) yang saling berkebalikan merupakan ciri khas dari sebuah sakelar, terutama sakelar yang mendekati karakteristik sebuah sakelar ideal. Pada kenyataannya selain adanya nilai tahanan yang lebih besar dari nol, juga diperlukan wantu gelombang dan arus untuk mencapai nilai steady-nya. Ada selang waktu yang selalu diperlukan untuk naik (rise) dan turun (fall). Untuk sakelar elektronis tegangan dan arus tidak mungkin begitu saja untuk berpindah dari satu nilai ke nilai lain tanpa selang waktu sedikit pun, baik dalam orde picodetik, nanodetik, mikrodetik maupun milidetik.

Jika pada simulasi di atas menggunakan catu daya D.C. maka bagaimana untuk simulasi dengan catu daya A.C.? Bagaimanakah bentuk gelombang keluarannya?

Bisa ditebak, setiap kali sakelar menutup maka arus akan mengalir, dan tegangan di terminal akan “hilang” (kondisi hubung pendek) sebagai berikut. V(n002) adalah tegangan di node n002 yang terletak antara switch dan R2.

Tahap berikutnya adalah tahap kita mulai “meniru” bagaimana gelombang dihasilkan oleh SCR. Bedanya kali ini saklar akan terhubung (on) sebelum off, sedangkan pada aplikasi SCR di elektronika daya (power electronics), SCR biasanya akan terlebih dahulu dalam kondisi off sebelum diaktifkan (on). Waktu penyalaan ini biasanya dikaitkan dengan sudut, dan dinamakan sudut penyalaan (firing angle). Ada juga istilah conduction angle yang merupakan (180 – firing angle) atau dalam radian (π – firing angle).

karya: Harley H. Hartman (Googling: Wolfram Alpha Hartman)

Berikut adalah gambar rangkaian sakelar yang dikonfigurasikan untuk “meniru” kerja SCR. Dengan urutan hidup-mati yang berkebalikan dari kerja SCR. Waktu hidup (lebar pulsa) selama 1 mS dan dinyalakan tanpa delay dari 0 mS.

Berikut adalah gambar gelombang keluarannya.

Eksperimen berikut menggambarkan perbedaan antara simulasi switch dengan SCR. Pada SCR (juga TRIAC) sekali gate terpicu dan batas latching terlampaui maka thyristor akan terus dalam kondisi on walaupun sinyal picu di gate sudah dihilangkan (dimatikan, off), sampai principal current nilainya turun di bawah nilai ambang holding current. Sedangkan pada switch hidup-mati, sambung-putus dapat dilakukan kapanpun. Untuk menunjukkan efeknya maka dipergunakan tunda nyala (delay) sebesar 4 mS. Komutasi untuk SCR tidak semudah ini, apalagi jika sumber catu daya adalah catu daya D.C.

Gelombang hasil simulasi.

Simulasi berikut dilakukan untuk mendekati hasil ideal yang bisa didapatkan pada percobaan dengan SCR. Kali ini sudut penyalaan, firing angle sengaja dipilih pada sudut 90°. Melalui simulasi ini diharapkan nantinya saat melakukan simulasi dan percobaan pada SCR maka kita sudah bisa menduga/menebak apa yang seharusnya kita dapatkan. Jika hasilnya tidak sama maka kita bisa segera menduga ada yang salah atau setidaknya ada yang jauh menyimpang.

Rangkaian berikut menggunakan delay sebesar 5 mS dari 0 mS. Waktu hidup sinyal sebesar 5 mS dengan periode sebesar 20 mS.

Berikut hasil simulasi, penyulutan tepat pada sudut 90° dan off pada 180°. Dapat dilihat bahwa tegangan pada node nd1 “terpotong” pada saat sakelar menutup.

Bentuk simulasi operasi TRIAC pada sudut penyulutan 90°.

Rangkaian simulasi switch untuk menyerupai unjuk kerja TRIAC yang disakelar tepat 90°.

Hasil simulasi:

UPDATE:

Bagian sisipan ini memperlihatkan simulasi penyakelaran yang dapat dilakukan dengan bantuan simulator TINA-TI.

Demikianlah tulisan ini saya buat dalam semangat untuk belajar bersama, dan agar siswa/mahasiswa terinspirasi untuk belajar dengan cara yang lebih sistematis. Belajar elektronika daya dengan cara melompat-lompat memang menarik, dan terkesan efisien. Terutama jika kita belum termotivasi untuk menekuninya sebagai sebuah ilmu dan sebagai sarana untuk bertransformasi. Tetapi percayalah anda akan lebih banyak mengalami kerugian daripada keuntungan. Untuk mahasiswa ~> elektronika daya (elda, power electronics) sebenarnya lebih dari sekedar sebuah mata kuliah, tetapi bahkan dalam bentuk dan praktinya yang paling sederhana ilmu ini adalah sarana transformasi diri yang dahsyat. Saya tidak membual, silahkan dicari sebanyak mungkin informasi pembanding. Saya yakin anda akan semakin menemukan kebenarannya.

Sebelum belajar TRIAC, hendaknya meluangkan waktu untuk belajar SCR, dan sebelumnya belajar diode dan sebelumnya switch, seperti yang telah coba saya tuangkan di sini, sebagai awalan.

Simulasi IGBT sebagai sakelar

Post kali ini adalah kelanjutan dari tulisan sebelumnya yang membahas mengenai simulasi penggunaan MOSFET sebagai sakelar dengan bantuan simulator turunan SPICE. Karena itu bagi yang belum mambaca bagian tersebut disarankan untuk membaca bagian itu terlebih dahulu. Terutama mengenai tujuan dan filosofi dasar perbandingan sederhana antar software simulator.

Keterangan lebih rincin mengenai Insulated Gate Bipolar Transistor Loading (IGBT) dapat dilihat di beberapa sumber bebas akses yang tersedia, misalnya di situs ini dan di sini. Singkatnya pada prinsipnya dapat dibayangkan secara sederhana bahwa IGBT adalah perpaduan antara MOSFET dengan BJT. Mosfet dipergunakan untuk mengendalikan operasi komponen melalui tingkat tegangan pada kaki gate (bukan base). Sedangkan BJT dipakai sebagai pelaksana pengendalian arus.

sumber: http://www.electronics-tutorials.ws/power/insulated-gate-bipolar-transistor.html

I. PROTEUS

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

Gambar 4.

Gambar 5.

Gambar 6.

II. LTSPICE

Gambar 7.

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

Gambar 16.

Gambar 17.

Gambar 18.

Pada Gambar 18, dengan melakukan zooming terhadap tampilan kurva karakteristik maka kita bisa melihat dengan lebih detail sehingga kita bisa melakukan skenario what-if dengan nilai tegangan masukan pada gate yang berbeda-beda. Misalnya pada Gambar 18, diperlukan tegangan pada V2 setidaknya sekitar 10 V sehingga nilai V_GE tidak berbeda jauh. Jika tegangan pada V_GE jauh di bawah 10 V maka nilai besar arus listrik yang dapat lewat tidak akan dapat mendekati nilai maksimumnya dan nilai jatuh tegangan pada CE akan semakin besar yang mengakibatkan keborosan penggunaan energi pada komponen penyakelar.

III. TINA-TI

Gambar 19.

Gambar 20.

Gambar 21.

Gambar 22.

Gambar 22 menunjukkan bahwa berkaitan dengan disipasi daya (pengeluaran energi per satuan waktu), saat kritis untuk penyakelaran ada pada saat crossing. Yaitu saat persimpangan arus dan tegangan pada komponen semikonduktor penyakelar seperti IGBT. Saat itulah nilai power tertinggi terjadi, yang menghasilkan panas pada komponen.

Simulasi MOSFET sebagai sakelar

Dalam post kali ini saya mencoba mengumpulkan screenshot dari simulasi yang saya lakukan untuk memperlihatkan karakteristik MOSFET dalam fungsinya sebagai sakelar. Sebelum itu, ada baiknya melihat kembali tutorial yang memiliki grafik yang menarik dan informatif seperti berikut:

sumber gambar: http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html

Saya menggunakan tiga buah simulator yang kesemuanya adalah turunan dari SPICE. Yang pertama adalah simulator mahal keluaran Labcenter Electronics, Proteus Design Suite. Kedua adalah LTspice dari Linear Technology, software ini gratis. Ketiga adalah TINA-TI dari Texas Instruments, yang juga gratis. TINA sendiri sebenarnya adalah produksi dari DesignSoft, versi penuhnya yang asli tentu tidak gratis. Tetapi untuk keperluan kali ini (dan banyak keperluan lain), dua software gratis ini sudah memadai bahkan handal dan lebih dari cukup.

Adalah tujuan dari artikel ini (dan artikel lainnya di masa lalu maupun yang akan datang) untuk menunjukkan bahwa perangkat lunak gratis tidak seringkali sudah memadai untuk beberapa keperluan. Terutama untuk dunia pendidikan, untuk mengajar generasi masa depan bangsa. Tanpa harus terburu-buru menggunakan software berbayar. Ada beberapa hal yang memang sulit atau bahkan tidak dapat dihindari, dan itu pengecualian yang jumlahnya semakin kecil. Kemampuan dan kemandirian bangsa itu dimulai dari kemauan untuk berusaha, kemauan untuk sedikit susah dan tidak semata-mata mau mengejar enaknya saja. Dimulai dari hal yang kecil, sebisa mungkin. Ini adalah salah satu wujud upayanya, dengan perbandingan langsung diupayakan agar kemampuan masing-masing software terlihat.

I.PROTEUS

Gambar 1. Simulasi Vds V.S. Id

Gambar 2. Simulasi Vds saat Vgs = 2,42 V

Gambar 3. Simulasi Vds saat Vgs = 2,44 V

Gambar 4. Simulasi Vds saat Vgs = 2,48 V

Gambar 5. DC transfer curve Vbb V.S. Vdd

Gambar 6. DC transfer curve Vdd V.S. Vbb

Gambar 7. Voltage and current crossing

Gambar 8. Rangkaian uji simulasi dengan oscilloscope

II. LTSPICE

Software gratis pertama untuk simulasi pensakelaran NMOSFET kali ini adalah LTspice. Ini adalah software yang sangat powerful dan fleksibel. Tetapi memang fasilitasnya tidak semudah Proteus untuk dipergunakan, perlu sedikit usaha dan nyali.

Simulasi kali ini dilakukan agak lebih lengkap daripada simulasi pada Proteus. Mosfet yang dipergunakan adalah IRLB3034 (IRLB3034PbF) produksi Infineon (IRF). Simulasi ini terutama ditujukkan untuk menunjukkan nilai tegangan yang memadai agar MOSFET dapat berfungsi penuh sebagai sakelar.

Gambar 9. Simulasi pengaruh stepping nilai V1 (menjadi Vgs) terhadap Id (IR2)

Gambar 10. Simulasi stepping V_DS V.S. I_DS

Gambar 11. Simulasi nilai R_DS(ON) menggunakan nilai V_DS dan I_DS

Gambar 12. Nilai simulasi R_DS(ON) saat V_GS 5 V

Gambar 13. Nilai simulasi R_DS(ON) saat V_GS 4,42 V

Gambar 14. Nilai simulasi tegangan saat crossing

Gambar 15. Disipasi daya maksimum ada pada saat crossing, 2,42 V untuk model SPICE dari MOSFET IRLB3034PbF

Gambar 16. Simulasi perbandingan R_DS(ON) tiga N-MOSFET, menggunakan LTspice

Gambar 17. Simulasi perbandingan nilai tegangan saat disipasi daya maksimum pada penyakelaran untuk IRLB3034(PbF), IRFZ44N, dan IRF540, dengan LTspice

Dari sejumlah gambar simulasi LTspice di atas dapat dilihat bahwa LTspice sangat handal untuk dipergunakan sebagai simulator penyakelaran MOSFET. Memang perlu sedikit lebih banyak upaya berpikir daripada menggunakan simulator seperti Proteus atau Multisim, tetapi hasilnya sepadan.

Sungguh pun hasil simulasi tentu tidak akan selalu persis sama benar dengan komponen fisiknya, tetapi simulator ini sangat membantu. Saat pendidikan dan pelatihan, di tingkat engineering simulator ini dapat dipergunakan untuk memperoleh insight maupun sebagi alat bantu untuk memeriksa hasil perhitungan. Di tingkat engineering technology (vokasi seperti politeknik) simulator SPICE seperti LTspice dapat dipergunakan untuk mempermudah perkiraan/estimasi untuk perancangan praktis suatu sistem. Dengan bantuan simulator perhitungan yang lebih rumit dapat dikurangi (sampai batas tertentu).

III. TINA-TI

Simulator ini hampir sama seperti LTspice, antara lain dikeluarkan oleh produsen pembuat komponen dan karenanya seperti juga LTspice (Linear Technology) maka TINA-TI (Texas Instruments) telah berisi sejumlah besar komponen produksi TI. Sungguhpun begitu seperti juga LTspice, pustaka (library) komponen TINA-TI masih dapat ditambah. Baik komponen yang memang diprodukti oleh Texas Instruments maupun oleh produsen lain, selama masih menggunakan format SPICE. Caranya penambahannya memang agak berbeda dari cara penambahan komponen pada LTspice. Menurut saya masih agak lebih mudah pada LTspice untuk kebanyakan komponen standar, tetapi ini lebih pada soal selera dan kebiasaan.

Gambar 18. ERC untuk rangkaian simulasi NMOSFET sebagai sakelar dengan TINA

Gambar 19. Analisis DC dengan perhitungan “Nodal voltages“

Gambar 20. Analisis DC dalam bentuk tabel

Gambar 21. Hasil simulasi DC transfer characteristics, sptepping VS1, I_DS V.S. V_DS

Gambar 22. Rangkaian simulasi untuk mendapatkan kurva karakteristik

Gambar 23. Hasil simulasi, characteristic curve untuk MOSFET

Gambar 24. Characteristic curve yang sudah diberi load line

Gambar 25. Contoh penggunaan kursor untuk mendapatkan nilai I_DS dan V_DS dari nilai V_GS yang sesuai untuk arus beban dan catu daya pada rangkaian

Dari uji coba dengan tiga simulator ternyata didapati bahwa untuk simulasi karakteristik MOSFET, ketiganya telah terbukti mampu dan baik untuk dipergunakan, baik yang berbayar maupun yang gratis. Penambahan data komponen memang perlu dilakukan terutama untuk simulator yang gratis (LTspice dan TINA-TI), biasanya karena komponen bukan merupakan komponen produksi mereka sendiri. Beberapa komponen yang sudah sangat umum dan banyak dipakai biasanya sudah ada di dalam pustaka simulator.

Sebagai catatan tambahan mengenai jumlah komponen, Texas Instruments (TI) pada tahun 2011 telah mengakuisisi perusahaan raksasa komponen elektronika lain yaitu National Semiconductor (NS). Sebelumnya lagi pada tahun 2000 TI mengakuisisi Burr-Brown Coorporation. Dengan demikian jumlah komponen yang (pernah) diproduksi oleh TI sangatlah besar. Ini lebih memudahkan kita dalam mencari model SPICE dari komponen dan melakukan simulasi dengannya.

Di sisi lain, Linear Technology dikenal unggul dalam produksi komponen daya, termasuk untuk catu daya tersakelar (SMPS: Switched Mode Power Supply). Karena itu tidak aneh kalau LTspice pun dikenal terbukti unggul untuk simulasi rangkaian dan sistem elektronika daya (power electronics).

Sebagaimana telah diperlihatkan melalui gambar-gambar di atas, prinsipnya sama dengan komponen dan sistem lainnya, penggunaan komponen MOSFET perlu ketaatan pada aturan dan rekomendasi dari produsen. Untuk penggunaan sebagai sakelar (switch) MOSFET perlu diatur sedemikian rupa agar hanya bekerja pada salah satu dari dua keadaan; cut-off atau triode (ohmic). Sedangkan pada wilayah yang dinamakan saturation region (yang berbeda secara praktis dengan saturation pada BJT), justru MOSFET akan menggunakan lebih banyak daya (boros energi) yang tidak perlu.

Kondisi cut-off dapat diumpamakan setara dengan kondisi sakelar mekanis pada saat terbuka (open circuit). Sedang kondisi triode atau disebut juga ohmic, hampir setara dengan kondisi sakelar pada saat tertutup (short circuit). Pada kedua kondisi itu MOSFET sebagai sakelar menggunakan energi yang lebih sedikit. Pemahaman sederhananya adalah buka penuh atau tutup penuh, di antara kedua kondisi itu MOSFET justru akan mengeluarkan daya yang terbesar. Karena itu semakin sering MOSFET membuka dan menutup (sebagai sakelar), maka akan semakin boros energi, semakin besar daya.

Agar MOSFET dapat membuka (dan menutup) penuh, maka pengguna harus memberikan tingkat tegangan sesuai dengan rentang rekomendasi pabrik pembuatnya. Ada syarat yang harus dipenuhi untuk mendapatkan sesuatu, dalam hal ini misalnya nilai efisiensi daya yang baik. Untuk itu pengguna sebaiknya membaca datasheet dan mencari semua informasi yang relevan seperti V_GS pada bagian (Absolute Maximum Ratings), maupun pada grafik seperti berikut ini:

Pesan moral tambahan dari simulasi ini adalah; sepanjang bersesuaian dengan akal sehat, sains dan teknologi, kita harus patuh terhadap sesuatu untuk mendapatkan sesuatu yang lain yang kita inginkan. Sesuatu yang bukan sekedar seremonial dan formalitas semata-mata. Simulasi (dan praktik rangkaian) ini juga salah satu wujud paling nyata dari pentingnya pemahaman korelasi dan kausalitas.

A.C. v.s. D.C.

[intense_image image=”638″ size=”large” lightbox_type=”prettyphoto” border=”1px solid #a39d9d”] sumber:science20.com

Biasanya di awal-awal perkuliahan saya selalu mengulang tentang A.C. dan D.C. (berikutnya ditulis AC dan DC). Pertama sebagai penyegaran, kedua sebagai telaah tentang apa yang masih diingat dari yang kita pahami tentang AC dan DC. Urusan utama dalam elektronika daya adalah conversion and control, kemudian ditambah satu lagi yang juga sudah umum dilakukan: conditioning. Untuk melakukan keduanya (atau ketiganya) penting untuk memahami apa yang sedang dikonversi dan dikendalikan, juga dikondisikan. AC dan DC itu jelas berbeda, dan dengan bantuan peralatan oscilloscope perbedaannya lebih gampang nyata terlihat.

DC dalam bahasan ini adalah singkatan dari direct curent, yang terjemahan bebasnya bisa berarti arus searah. Seperti sebutannya arus ini hanya mengalir ke satu arah. Bayangan gampangnya jika arus (konvensional) mengalir dari titik, sebutlah, A ke titik B, maka kan terus seperti itu. Dalam analisa rangkaian, bisa dibayangkan kalau semisal berdasarkan tanda pada lambang sumber tegangan arus dianggap “bergerak” ke arah kanan, maka akan seterusnya seperti itu. Tidak akan suatu saat berbalik arah ke kiri.

AC adalah singkatan dari alternating current, yang diterjemahkan menjadi arus bolak-balik. Seperti namanya, berbeda dengan DC, arus ini tidak hanya mengalir satu arah, melainkan bolak-balik berbalik arah terus menerus. Yang umum diketahui dan diingat orang adalah bentuk gelombang sinusoida, ini menjadi icon dari AC. Meskipun sebenarnya AC tidak harus selalu berbentuk gelombang sinusoida.

Sumber tegangan / arus AC maupun DC memang lebih gampang dipahami jika berupa sumber tegangan/arus dengan gelombang sinusoida (AC) dan baterai (DC). Meskipun bagi gelombang tegangan / arus AC karakteristik terpenting yang harus ada hanyalah adanya pembalikan arah arus (atau polaritas), apapun bentuk gelombangnya. Jika menggunakan salah satu node sebagai acuan pengukuran (netral, common) maka node lain pada sumber akan berganti-ganti polaritas dari positif menjadi negatif dan menjadi positif kembali. Begitu seterusnya, ada crossing di nilai nol, dari satu polaritas ke polaritas lainnya.

[intense_image image=”643″ size=”medium500″ align=”middle” title=”ACDC1″ lightbox_type=”prettyphoto” border=”1px solid #423a3a”]

Gambar 1. [Klik foto untuk memperbesar tampilan.]

Pada Gambar 1, gampang dilihat bahwa gelombang sinusoid yang berwarna ungu adalah gelombang tegangan AC. Nilainya naik turun dari 883 mV ke -883 mV, melewati (crossing) nilai nol volt. Yang lebih menarik adalah gelombang sinusoid yang berwarna hijau di atasnya. Gelombang ini hanya berada di satu sisi, dalam hal ini adalah sisi tegangan positif. Gelombang ini tidak pernah menyentuh nilai nol volt apalagi sampai crossing ke nilai negatif (yang artinya arus berbalik arah sehingga di node itu nilainya lebih negatif bila dibandingkan dengan node acuan). Nah apakah gelombang ini tergolong AC atau DC?

Jika berdasar pada definisi AC dan DC secara literal, jelas gelombang yang diberi penanda warna hijau ini adalah DC. Tetapi ada pula yang menyatakan gelombang ini sebenarnya adalah AC. Yang sebenarnya merujuk pada salah satu dari komponen pembentuknya (AC + DC). Jadi tergantung sudut pandang yang dipakai. Gelombang serupa ini akan lebih mudah terlihat jika kita mempergunakan mode AC coupling pada oscilloscope atau menggunakan kapasitor seperti contoh untuk DC blocking. Sehingga DC offset dapat dihilangkan.

Hal yang juga menarik untuk diamati adalah fenomena yang disebut sebagai pulsating DC. Biasanya sinyal seperti ini dapat dengan mudah diperoleh dari keluaran penyearah setengah gelombang. Menarik untuk melihat gelombang ini jika diukur dengan mode AC coupling.

Gambar 2. Sumber: Wikipedia.

Mengikuti filosofi dari post sebelumnya, maka kali ini pun akan terlebih dahulu mengajak untuk melihat, memperhatikan berbagai sumber sebelum sampai kepada suatu kesimpulan. Pola seperti ini penting untuk pelajar dan calon pekerja di era banjir informasi seperti sekarang ini. Dari bahan bacaan yang saya kumpulan di Bundlr di bawah ini, kita bisa melihat bahwa satu bahasan yang sama ditinjau dari berbagai sudut pandang. Sekedar sebagai contoh saja pembahasan tentang perbedaan antara AC dengan DC dapat ditinjau dari beberapa sudut pandang (titik perhatian), misalnya:

[intense_collapsibles title_border=”1px solid #cfcfcf” content_border=”1px solid #ababab”] [intense_collapse title=”Transmisi dan Distribusi” external_link_target=”_self” icon_color=”#9B21A8″] [intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] Direct Current Transmission

[intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] Is it finally time to switch from AC to DC?

[intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] Transmission Lines
[/intense_collapse] [intense_collapse title=”Sumber energi terbarukan dan pemanfaatan energi listrik” external_link_target=”_self” icon_color=”#9B21A8″] [intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] Solar Power produces Direct Current: what does that mean for your appliances?

[intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] Direct Current Versus Alternating Current

[intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] What is the difference between DC vs AC ceiling fans?

[/intense_collapse] [intense_collapse title=”The war of Currents” external_link_target=”_self” icon_color=”#9B21A8″] [intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] The War of the Currents: AC vs. DC Power

[intense_icon source=”captain-icon” type=”276″ size=”2″ color=”#3cff00″ stack_type=”file-alt” stack_color=”#ccc0c0″] War of Currents

[/intense_collapse] [/intense_collapsibles]

Agak berbeda dari post sebelum ini, kali ini kita terlebih dahulu akan menyaksikan tayangan beberapa video yang diharapkan dapat memperjelas perbedaan antara AC dan DC.

Penggunaan YouTube Playlist

Video utama yang siap dimainkan ada di sebelah kiri. Di sebelah kanan adalah daftar video (playlist) yang dapat dipilih untuk dimainkan (di bagian kiri). Pada bagian bawah terdapat panel yang berisi beberapa icon.

Agar tidak mengganggu tampilan playlist di sebelah kanan dapat disembunyikan dengan menekan icon yang memiliki tooltip “Toggle Playlist” ( ).

Untuk menyaksikan tayangan secara penuh (fullscreen) anda dapat melakukan klik pada icon ( ), “Toggle Fullscreen”.

[ytp_playlist source=”PL9zvUuOWRPkI8XdWtMNbD4Zbfi9aTrl5u”]

Sama dengan artikel sebelumnya, kali ini saya pilihkan (baca: filter) cukup banyak artikel yang membantu untuk membentuk pemahaman dasar yang memadai mengenai sistem AC dan DC. Jika dibaca maka masing-masing artikel (tulisan) dapat dikelompokkan berdasarkan titik perhatian utama yang hendak dibahas penulisnya.

Link:

http://data.sunupradana.my.id/2021/10/ac-dc-gambar-simulasi-ltspice.html

Pergerakan elektron, cepat atau lambat?

[intense_image image=”620″ size=”large” lightbox_type=”prettyphoto” border=”1px solid #a39d9d”]

Berdasarkan pengamatan dan pengalaman sehari-hari, mudah bagi kita untuk menganggap listrik itu cepat. Misalnya, saat kita memanipulasi (menekan) sakelar (switch) maka, dalam persepsi kita, saat itu juga lampu bohlam menyala (atau padam, tergantung keadaan awal). Saat ada orang yang menyentuh bagian peralatan atau konduktor lainnya yang teraliri listrik (hot), saat itu juga biasanya orang tersebut beraksi. Tanpa pelindung, orang itu mengalami fenomena yang kita sebut kesetrum (tersengat aliran listrik, electric shock) dan dapat mengakibatkan kematian (electrocuted).

Akan janggal kalau kita mendengar bahwa aliran elektron itu biasanya justru lambat. Listrik itu identik dengan elektron, kalau listrik cepat, bagaimana mungkin elektron bergerak lambat?

Ya, jawaban cepatnya memang elektron itu bergerak lambat, tidak seperti aliran energi listrik dari muatan yang dibawanya. Salah satu sumber (yang nanti bisa anda baca sendiri) menyatakan bahwa pergerakan elektron itu sangat lambat, pergeserannya hanya berkisar pada satu meter per jam. Bagaimana mungkin?

Seperti banyak halaman lain yang coba saya susun, untuk hal-hal seperti ini ada bagian yang saya mengajak pembaca untuk menyimpulkan sendiri dari sumber-sumber bacaan yang saya sediakan (rujuk). Juga dari mendengar dan menonton sumber-sumber belajar yang relevan. Mengapa begitu? Karena biasanya setiap saya menulis yang pertama saya bayangkan adalah para pelajar (mahasiswa atau lainnya). Untuk merekalah (semua yang sebangsa dan setenah air di manapun berada) saya mencoba berbagi. Kalau sekedar kumpulan fakta, sudah banyak sumber di Internet (seperti yang saya rujuk), persoalannya tinggal melakukan penapisan (filtering).

Pertama untuk pertanyaan atau keingintahuan seperti ini, ada baiknya untuk mencari di situs tanya jawab atau diskusi umum seperti Quora. Jika dapat akses yang baik, bisa juga mencari di Reddit. Baru kemudian ke situs seperti Stackexchange. Wikipedia juga bagus dijadikan sebagai awalan untuk memahami lingkup persoalan / bahasan.

[intense_collapsibles title_border=”1px solid #cfcfcf” content_border=”1px solid #ababab”] [intense_collapse title=”Which is faster: the speed of electric current through a copper wire, or the speed of light? – Quora” external_link_target=”_self” icon_color=”#1002a8″]

The speed of light, often called “c”, in the lower case, commonly refers to the speed of light in a vacuum, which is the fastest it will go. Its about 300 million meters per second.

The propogation of electric field, or electrical signalling using electrical signals in a wire is a bit slower. It can be anywhere from about 50% of c to 99% of c, depending upon the wire and insulation composition and construction. See the wiki article Velocity factor.

There’s another speed which is the drift velocity. This can be considered like tracking an individual electron and its very slow, on the order of fractions of meters per second. You can not picture electrical signal propagation as s single electron or a batch of electrons travelling in the wire from one end to the other at 75% of the speed of light… you must consider that the electrons bump into each other and trade places with a few holes to propagate the field, much as when you hear a sound at a distance of 1000 feet, the sound presure on your ear is not the molecules of air originally moved a thousand feet away but a compression wave moving from molecule to molecule over that distance. See wiki article Drift velocity

~ Loring Chien

[/intense_collapse] [intense_collapse title=”How fast does electricity flow?” external_link_target=”_self” icon_color=”#1002a8″]

How fast does electricity flow? This is a good question, because it seems like a simple enough question, but usually it indicates some underlying misconceptions. The first difficulty in answering the question is knowing, what is electricity? Do you mean:

1. How fast do changes in electrical fields propagate? or…
2. How fast do electrical charge carriers move?

Usually, people asking this question actually care about the former, but are thinking about the latter. However, not having a clear understanding of the difference, their underlying concern actually can’t be addressed without stepping back and addressing the underlying misconceptions which lead to the question.

Understand is this: there are forces, and there are things that transmit forces, and they are not the same thing. Here’s an example: I’m holding one end of a rope, and you are holding the other end. When I want to get your attention, I tug the rope. There is the rope, and there is the tug. The tug travels as a wave of force down the rope at the speed of sound in the rope. The rope itself will move at some other speed.

Say I have two lookout towers, and when I see the approaching invaders, I shout to the other tower. Sound will travel as waves in the air at the speed of sound. How fast are the molecules in air moving? Do you care?

Some people won’t let this go until the motion of the molecules is actually explained, even though it’s usually not relevant to their concerns. So here’s the answer: the molecules are flying around in all random directions, all the time. They fly around because they have non-zero temperature. Some are very fast. Some are very slow. They bump into each other all the time. It’s very random.

When you shout, your vocal tract compresses (and rarefies, as your vocal cords vibrate) some of the air. The molecules in this compressed region want to move to a region with less pressure, so they do. But now this nearby region has too much air, and is a little more compressed than the air around it, so the compressed region expands outward a little more. This wave of compression moves through the air at the speed of sound.

All of this happens superimposed on the random motion of the molecules previously mentioned. It’s unlikely that the same molecules that were in your vocal tract will be the ones that vibrate in the listener’s ear. If you watch individual molecules, you will observe them going in all directions. Only if you observe a lot of them will you notice that slightly more went in one direction versus another. It is true for all things we would call “sound” that the random motion of the molecules due to thermal noise is much more than their motion due to sound. When the “sound” becomes the more relevant motion, we tend to call it not “sound” but rather an “explosion”.

The situation with electricity is not much different. A metal conductor is full of electrons that are free to wander around the entire circuit in random directions, and they do, simply because they are warm. Things in our circuits make waves in this sea of electrons, and these waves propagate at the speed of light¹. At the currents we typically encounter in circuits, most of the electron motion is due to thermal noise.

So now we can answer the questions:

How fast do changes in electrical fields propagate? At the speed of light in the medium in which they are propagating. For most cables, this is in the neighborhood of 60% to 90% of the speed of light in a vacuum.

How fast do electrical charge carriers move? The velocities of individual charge carriers are random. If you take the average of all these velocities, you can get some velocity that depends on the charge carrier density, and the current, and the conductor’s cross-sectional area, and it’s typically less than a few millimetres per second in a copper wire. Above that, resistive losses become high in ordinary metals and people tend to make the wires bigger instead of forcing the charges to move faster.

Further reading: Speed of Electricity Flow by Bill Beaty

^{1: The speed of light depends on the material in which the light is propagating, just as with sound. See Wave propagation speed.}

~ Phil Frost

[/intense_collapse] [intense_collapse title=”What is the speed of electricity?” external_link_target=”_self” icon_color=”#1002a8″]

The individual electron velocity in a metal wire is typically millions of kilometers per hour. In contrast, the drift velocity is typically only a few meters per hour while the signal velocity is a hundred million to a trillion kilometers per hour. In general, the signal velocity is somewhat close to the speed of light in vacuum, the individual electron speed is about 100 times slower than the signal velocity, and the electron drift speed is as slow as a snail.

Science Questions with Surprising Answers

[/intense_collapse] [/intense_collapsibles]

Untuk mempelajari lebih lengkap tentang bahasan ini dengan membaca dan membandingkan antara satu sumber informasi dengan sumber informasi lainnya, saya sudah mencoba mengumpulkan sumber-sumber belajar yang menarik. Sumber-sumber ini telah saya pilih dari sejumlah sumber yang dapat ditemukan dengan mesin pencari. Hasilnya dapat diakses melalui link pada kumpulan RSS berikut (situs eksternal, Bundlr)

[intense_collapsibles title_border=”1px solid #cfcfcf” content_border=”1px solid #ababab”] [intense_collapse title=”Bundlr RSS :: electron drift” external_link_target=”_self” icon_color=”#1002a8″]

[intense_rss url=”http://bundlr.com/b/electron-drift.rss” max=”50″ template=”title_content”]

[/intense_collapse]

[/intense_collapsibles]

Salah satu cara yang menarik dan mempermudah proses belajar di era informasi ini adalah dengan menyaksikan tayangan audiovisual. Dengan menonton video yang sering tidak hanya berisi ceramah atau narasi tetapi juga visualisasi menarik seperti animasi, proses untuk memahami sesuatu yang bahkan bersifat abstrak dapat berlangsung dengan lebih efektif.

Penggunaan YouTube Playlist

Agar tidak mengganggu tampilan playlist di sebelah kanan dapat disembunyikan dengan menekan icon yang memiliki tooltip “Toggle Playlist” ( ).

Untuk menyaksikan tayangan secara penuh (fullscreen) anda dapat melakukan klik pada icon ( ), “Toggle Fullscreen”.

[ytp_playlist source=”PL9zvUuOWRPkLw6DzqcYAQUd1Oo6vm3Lg9″]