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.