Percobaan penyakelaran N-Mosfet (Manhattan style)

Percobaan Mosfet (atau tepatnya Enhancement Mosfet n-type, nMosfet) ini ditujukan untuk menguji penggunaan nMosfet sebagai sakelar elektronik untuk aplikasi elektronika daya (power electronics).

Untuk melakukan percobaan bisa dilakukan dengan pilihan satu dari beberapa cara. Misalnya bisa dilakukan dengan menggunakan breadboard. Tetapi bisa juga dilakukan dengan menggunakan cara/metode Manhattan style seperti dalam artikel ini. Cara lainnya lagi adalah dengan menggunakan gaya dead-bug. Ketiga cara/gaya menyusun suatu rangkaian elektronik tersebut adalah alternatif dari penggunaan PCB (tercetak) yang lebih umum ditemui.

Jika tertarik untuk lebih lanjut mengetahui tentang cara/gaya merangkai dapat mencari dari berbagai sumber informasi di Internet. Mengapa, kapan, dan bagaimana masing-masing cara dipergunakan bisa dipelajari lebih dalam. Misalnya seperti pada artikel sebagaimana yang dirilis oleh Hackaday di link berikut ini.

Gambar 1

Pada Gambar 1, bisa dilihat papan percobaan yang dibuat dengan cara Manhattan style. Cara ini umum dipergunakan terutama di linkungan para aktivis RF (radio frequency). Tambahan informasi bisa dilihat di dua situs berikut: link 1 & link 2

Yang juga penting untuk diingat saat mempergunakan sistem papan ini adalah bahwa komponen tidak dirancang untuk dikenai beban mekanis yang ‘berat’. Artinya komponen jangan ditekan-tekan atau didorong untuk memasang probe oscilloscope. Juga perlu dijaga agar tidak jatuh terbanting atau tertindih benda lain. Percobaan ini bisa dianggap juga sebagai latihan untuk bisa berhati-hati menangani papan kerja di masa yang akan datang.

Gambar 2

Salah satu alternatif cara dari penggunaan Manhattan style, adalah dengan cara membuat ‘pulau-pulau’ (islands) secara langsung di PCB kosong (blank PCB). Cara lain adalah dengan menempelkan potongan-potongan PCB kosong di papan PCB kosong lainnya. Cara pertama lebih cepat dapat dikerjakan daripada cara kedua.

Gambar 2 menunjukkan salah satu contoh hasil penggunaan cara pertama. Ketiga kaki pada gambar itu adalah kaki-kaki komponen MOSFET. Sepintas kaki G, D, maupun S terhubung langsung (kontak)  dengan papan PCB kosong yang dipakai sebagai dasar. Tetapi sesungguhya hanya kaki S saja yang terhubung langsung karena memang langsung disolder ke papan PCB kosong. Sedangkan kaki G dan kaki D terisolasi dari papan PCB yang dipakai sebagai common ground.

Sebagaimana banyak hal lain di engineering, ini adalah contoh dari trade-off. Salah satu kekurangan metode ini adalah adanya risiko hubung singkat. Terutama jika seiring waktu papan PCB kosong itu terkena kontoran secara terus menerus. Maka umumnya untuk sistem RF papan PCB dilindungi dengan kotak yang memadai. 

Mengenai sejumlah keuntungan penggunaan cara/metode ini, silakan untuk membaca juga sejumlah tautan (link) yang sudah saya sediakan juga di bagian bawah artikel ini.

Gambar 3

Dokumentasi berupa foto untuk artikel ini diambil pada setup cepat sebagaimana yang terlihat pada Gambar 3. Di meja praktik, anda bisa mengatur ulang agar percobaan bisa berlangsung dalam kondisi yang lebih lapang.

Percobaan dilakukan dengan mempergunakan Arduino compatible sebagai sumber sinyal pemicuan pada kaki gate dari Mosfet. Pergunakanlah sumber kode blink dari contoh kode yang telah disediakan di IDE pada Arduino.

Untuk memodifikasi kode program anda perlu mengingat dan memahami bagaimana hubungan (korelasi) antara frekuensi (frequency) dengan periode (period), bagaimana persamaannya. Kemudian bagaimana cara menentukan waktu on dan waktu off untuk tiap bagian rentang waktu tertentu berdasarkan nilai duty cycle yang diberikan.

Gambar 4
Gambar 5

Gambar 4 menunjukkan papan percobaan dari sisi bagian depan Mosfet. Jika anda melakukan percobaan di saat praktik di Laboratorium Elektronika Daya, maka anda perlu mengukur nilai dari masing-masing resistor di papan itu. Gambar 5 dapat dipakai sebagai rujukan awal. Buatlah sendiri rangkaian simulasi dengan simulator LTspice. Ganti dan sesuaikan nilai-nilai resistor berdasarkan hasil pengukuran dengan DMM (Digital Multi Meter) yang tersedia di lab.

Gambar 6

Setelah memahami topologi rangkaian dan perwujudannya di papan PCB, anda bisa menghidupkan catu daya. Seperti pada Gambar 6, aturlah tegangan hingga 9 VDC , gunakan DMM sebagai pembanding tampilan tegangan pada catu daya. Setelah itu, untuk sementara matikan catu daya.

Gambar 7

Rangkaian elektronika demo penyakelaran dengan Mosfet ini telah diperlengkapi dengan tambahan komponen pengaman. Gambar 7 menampilkan posisi komponen pengaman dari sisi masukan catu daya di papan praktik.

Gambar 8 di bawah ini menampilkan zoom dari beberapa komponen pengaman agar lebih jelas terlihat. Komponen pertama adalah ferrite bead. Di Gambar 8 posisinya terlihat di bagian kiri, tepat setelah kabel masukan daya positif yang berwarna merah. Fungsinya adalah membantu untuk memperkecil kemungkinan terikutnya sinyal noise ke dalam sistem penyakelaran. Juga sebaliknya dari rangkaian ke sistem catu daya.

Komponen kedua adalah sekring (fuse). Komponen jenis ini lazim dikenal sebagai resettable fuse. Kadang juga disebut sebagai multifuse, polyfuse atau polyswitch. Resminya komponen sekring yang dapat ‘menyambung’, normal menghantar kembali ini dinamakan PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient).

Gambar 8

Mirip resistor, PPTC juga memiliki kemampuan yang berbeda beda dan ditandai sesuai dengan nilai itu. Pada Gambar 8, PPTC yang berwarna kuning memiliki tanda JK6 065. Jika dilihat pada Tabel 1 itu menandakan bahwa polyfuse itu dirancang untuk mampu bekerja normal menghantarkan arus sampai nilai maksimal 0,65 A. Setelah itu jika arus melewati ambang sampai 1,3 A maka sekring/polyfuse normalnya akan trip/putus sesaat. Setelah polyfuse menjadi lebih dingin, maka arus akan dapat kembali melewatinya.

Tabel 1
Gambar 9

Komponen berwarna hijau di belakang PPTC pada Gambar 8 adalah salah satu wujud dari komponen MOV (Metal Oxide Varistor). Tampilan yang lebih jelas pada Gambar 9 memperlihatkan penanda TNR, yang merupakan produksi dan merk dagang dari Nippon Chemi-Con. Ada banyak MOV yang diproduksi oleh perusahaan lain.

Beberapa MOV dapat lebih mudah ditemukan datasheet-nya daripada yang lain. Yang lebih sulit diperoleh informasi resmi dari pabriknya biasanya merupakan komponen tipe lama yang sudah tidak lagi diproduksi. Komponen tipe itu lalu diproduksi oleh pabrikan lain, mirip ‘obat generik’.

Pada Gambar 9, TNR 180 menandakan bahwa komponen ini bekerja di rentang tegangan 12 V sampai 14 V. Pada rentang itu, MOV TNR ini dirancang untuk tidak aktif/terpicu. TNR baru akan aktif pada tegangan 18 V, atau dalam rentang 16 V sampai 20 V. Jadi misalnya masukan catu daya masih berada di kisaran 14 Vdc maka TNR tidak akan aktif. Kemudian misalnya tegangan catu daya masukan naik menjadi 18 V maka TNR akan bekerja/terpicu, mirip seperti sakelar yang membuat hubung singkat jalur masukan. Ini dilakukan untuk melindungi sistem penerima tegangan. Dengan melakuan hubung singkat diharapkan sekring/fuse di bagian masukan akan bekerja (putus).

Gambar 10

Melanjutkan kembali tahapan praktik, anda bisa memasukkan tegangan 9 Vdc dari catu daya ke rangkaian percobaan, seperti pada Gambar 10. Hati-hati terhadap polaritas tegangan, jangan sampai terbalik.

* Di sistem yang mengizinkan adanya jatuh tegangan tambahan dari catu daya, bisa ditambahkan diode untuk mencegah akibat dari terbaliknya polaritas. Cara lain adalah dengan menggunakan sebuah Mosfet, misalnya pMosfet. [ Lihat bagian link. ] *

Gambar 11
Gambar 12

Berikutnya hubungkan Arduino compatible dengan papan percobaan penyakelaran nMosfet. Lihatlah Gambar 11, kabel USB untuk Arduino dihubungkan dengan USB port pada komputer (laptop). Hubungkan pin GND pada Arduino dengan ground pada PCB. Kedua ground pada masing-masing sistem harus terhubung sehingga level tegangan di kedua sistem dapat diacu berdasarkan nilai common ground.

Berhati-hatilah saat memasukkan pin ke papan Arduino jangan sampai salah. Lihat dan aculah gambar pinout dari Arduino Uno yang telah disediakan (click gambar untuk memperbesar tampilan). Misalnya, cari tanda GND di gambar pinout  lalu cari tandanya yang sama di papan Arduino Uno di meja kerja anda.

Hubungkan pin sinyal dari Arduino ke kaki gate pada nMosfet di PCB. Sesuaikan antara pin yang anda pakai dengan program yang anda pada akan eksekusi. Pastikan keduanya mengacu pada kaki pin yang sama pada mikrokontroler.

Hati-hati saat memasang kabel jumper pada Arduino. Lubang pada konektor (female single row PCB header) berjarak rapat, dengan penanda yang kadang tidak mudah terbaca. Jangan sampai salah memasukkan pin kabel jumper.

Gambar 13

Untuk memperoleh data dari variabel kerja rangkaian penyakelaran, hubungkan oscilloscope probe seperti pada Gambar 13. Kanal satu (Ch 1) pada osiloskop dihubungkan ke kaki input menuju resistor gate pada nMosfet. Kanal dua (Ch 2) osiloskop dihubungkan langsung ke kaki drain nMosfet. Lihat Gambar 13, lalu cari dan bandingkan dengan datasheet komponen nMosfet IRLB3034.

Jika osiloskop yang dipergunakan memiliki lebih dari dua kanal masukan, maka kanal ketiga bisa dipakai untuk memonitor nilai tegangan masukan dari catu daya. Dengan begitu nilai arus drain yang melintasi resistor (pada masing-masing bagian proses penyakelaran) dapat diketahui. Jika masih bingung, lihatlah kembali Gambar 5.

Gambar 14
Tabel 2
No Frequency (Hz) Duty Cycle (%)
1
50
0
2
50
25
3
50
50
4
50
75
5
50
100

Tabel 2 adalah contoh bagaimana anda bisa mengambil data unjuk kerja rangkaian penyakelaran. Di situ dicontohkan bagaimana anda perlu mengambil sejumlah parameter untuk tiap-tiap duty cycle yang berbeda pada satu frekuensi yang sama.

Di osiloskop digital anda bisa mengamati besaran tegangan DC yang sudah dihitungkan oleh sistem komputasi di osiloskop. Misalnya nilai rata-rata (average) dan nilai RMS. Anda juga bisa memyimpan bentuk gelombang pada masing-masing duty cycle sebagaimana yang ditunjukkan oleh osiloskop. Salah satu contoh adalah sebagaimana tampilan pada Gambar 3.

Anda bisa memperhatikan korelasi antara lebar pulsa dengan nilai tegangan pada drain. Juga pengaruhnya pada arus dan pada daya di beban (misalnya pada resistor di drain).

Dari eksperimen ini diharapkan akan lebih mudah untuk memahami mengenai dasar-dasar PWM dan penggunaannya. Juga bagaimana sebuah nMosfet dapat dipergunakan sebagai sakelar.

Jika percobaan dilakukan di laboratorium, mintalah kepada instruktur anda untuk menentukan nilai frequency dan duty cycle untuk percobaan yang anda akan lakukan.

Setelah memahami perangkat keras yang akan dipakai untuk melakukan eksperimen, berikutnya adalah memahami perngkat lunak yang akan dipakai untuk mengendalikan perangkat lunak itu.

Sebagai awal, mahasiswa harus mampu mengingat kembali dengan baik tentang frekuensi, periode, dan duty cycle. Sangat disarankan untuk membaca kembali tentang semua parameter operasi itu di artikel ini (link) . Kemudian untuk dapat menghitung dan membandingkan nilai amplitudo sinyal, silakan membaca artikel lainnya di sini (link).

Untuk dapat melakukan pemrograman dasar PWM manual dengan baik, anda cukup melihat contoh kode Blink yang tersedia di Arduino IDE. Meskipun disarankan juga untuk membaca artikel berikut ini (link).

Simulasi sakelar untuk sistem DC

Pada tulisan sebelumnya, telah saya coba ungkapkan simulasi sakelar untuk sistem AC (alternating current). Dari konfigurasi tersebut dapat dikembangkan dasar pemahaman untuk operasi TRIAC maupun SCR (tunggal maupun anti-parallel).

Kali ini saya akan menampilkan dasar penyakelaran dalam bentuk yang mendekati ideal sebagai dasar untuk pemahaman operasi transistor BJT maupun MOSFET. Terutama sebagai persiapan untuk penyakelaran pada catu daya (SMPS), misalnya pada aplikasi buck converter.

Dikarenakan keterbatasan waktu pada kesempatan ini saya terutama akan menampilkan beberapa screenshot. Seiring waktu post ini akan diperbaharui dan dilengkapi.

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3. Hasil simulasi Gambar 2. untuk mencari nilai Average dan RMS

Gambar 4. Sakelar elektronik berupa BJT TIP3055

Gambar 5.

Gambar 6.

Gambar 7. High side switching dengan TIP2955

Gambar 8. High side switching dengan IRF9540N

Gambar 9. Hasil simulasi high side switching dengan IRF9540N

 

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:

enhancement mode mosfet

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 VDS V.S. IDS

 

Gambar 11. Simulasi nilai RDS(ON) menggunakan nilai VDS dan IDS

 

Gambar 12. Nilai simulasi RDS(ON) saat VGS 5 V

 

Gambar 13. Nilai simulasi RDS(ON) saat VGS 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 RDS(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, IDS V.S. VDS

 

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 IDS dan VDS dari nilai VGS 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 VGS 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.