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

 

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.

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

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

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.”
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.

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). Tegangan dan arus tidak mungkin begitu saja untuk berpindah dari satu nilai ke nilai lain tanpa selang waktu sedikit pun. Baik dalam orde nano detik, mikro detik maupun mili detik.

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 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.