Percobaan penyakelaran BJT dengan modul pwm generator

[ [ BJT NPN BD139] ]

Di artikel sebelum ini sudah dipaparkan mengenai pengenalan dasar-dasar PWM melalui komponen pembentuknya yaitu frekuensi, periode, dan duty cycle (link). Kemudian di artikel lain juga sudah dicontohkan bagaimana mencari nilai rata-rata (average) maupun rms (root-mean-square) (link). Lalu sudah dicontohkan bagaimana mewujudkan sistem penghasil PWM dengan menggunakan perangkat digital yang itu sistem Arduino yang didalamnya berintikan mikrokontoler. Di artikel itu (link) juga dicontohkan perbandingan antara dua cara pembangkitan PWM, satu dengan cara penyakelaran manual sedang yang lain dengan cara menggunakan pemanggilan fungsi. Pada artikel itu pula disampaikan alur belajar yang bisa dilakukan untuk memahami sesuatu, dengan menaikkan kompleksitas secara bertahap.

Setelah memahami konsep-konsep dasarnya, kita bisa melanjutkan ke wilayah praktik/penggunaan. Dalam penggunaan ‘sehari-hari’ kita tidak harus hanya bergantung pada satu komponen/alat/sistem. Misalnya anda tidak selalu harus mempergunakan Arduino Uno untuk membangkitkan PWM secara digital. Terutama di era perdangan dan transportasi yang semakin lancar dan bebas seperti ini. Telah banyak modul impor dari pabrikan di luar negeri dengan harga yang relatif murah tersedia di beberapa toko online.

Misalnya yang sudah banyak dijual di toko-toko online di Indonesia adalah: “2 Channel PWM Generator Module Pulse Frequency Duty Cycle Adjustable Square Wave Rectangle Signal Generator For Stepper Motor Driver“. Barang ini dijual dengan beberapa nama, dan bahkan ada beberapa varian. Salah satunya adalah yang seperti Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Two channel PWM generator

Salah satu kemudahan varian ini adalah sudah disediakannya micro USB  2.0 port untuk masukan daya. Di dekatnya disediakan juga tempat untuk masukan catu daya jika hendak mempergunakan kabel atau male pin header. Sedangkan untuk pengaturan operasi dari alat ini dilakukan melalui tiga push button (tactile switch). Yang paling kiri mengatur mode, yang tengah untuk menaikkan nilai, yang paling kanan untuk menurunkan nilai. Pengguna alat ini bisa mengatur frekuensi dan duty cycle dari masing-masing pulse train.

Gambar 2. Two channel PWM generator

Di Gambar 2 terlihat empat lubang tempat male pin header bisa dipasang.  Keempatya keluaran untuk dua sinyal PWM yang independen/terpisah, yaitu PW1 dan PW2.

Untuk dapat mengerti sistem penyakelaran BJT (Bipolar Junction Transistor) NPN menggunakan PWM generator ini, saya mulai dari cara pengoperasian alat pembangkit sinyalnya terlebih dahulu.

Gambar 3. Tiga tombol pengatur operasi PWM generator

Pada Gambar 3, tombol/sakelar 1 disediakan untuk mengatur mode operasi alat ini. Di pengaturan dasar terdapat empat pilihan mode pengaturan untuk dua kanal PWM yang independen. Tiap kali tombol 1 ditekan singkat, mode akan berpindah. Jika sampai ke mode yang terakhir, maka akan kembali ke mode yang pertama, demikian seterusnya.

Untuk kanal sinyal 1, tampilan FA1 adalah untuk mengatur besar frekuensi PWM1. Tombol 2 dipakai untuk menaikkan nilai frekuensi sesuai yang diinginkan dan tombol 3 untuk menurunkan. Kedua tombol itu dapat ditekan sesaat untuk menaikkan satu nilai/angka, tetapi dapat juga ditekan-tahan untuk menaikkan/merunkan nilai terus menerus/kontinu sampai tombol dilepas. Setelah mode frekuensi FA1 sekali penekanan lagi yang singkat pada tombol 1 akan memasukkan ke mode du1, yaitu mode  pengaturan untuk duty cycle kanal sinyal PWM 1. Cara menaikkan/menurunkan nilai duty cycle sama dengan cara untuk frekuensi. Berikutnya, penekanan singkat sekali lagi pada tombol 1 akan membuat alat masuke ke mode FA2, pengaturan frekuensi yang terpisah untuk kanal sinyal 2 PWM. Cara pengaturannya sama dengan FA1. Berikutnya yang terakhir adalah du2, yaitu pengaturan duty cycle untuk kanal sinyal 2 PWM. Cara pengaturan untuk mengubah nilai/angka juga sama dengan mode yang lain.

Alat ini mampu membangkitkan sinyal PWM dari 0 Hz sampai 150 kHz. Tetapi pada pengaturan dasar anda hanya dapat melihat indikator angka 999, yang mengindikasikan 999 Hz. Bagaimana cara menghasilkan gelombang PWM dengan frekuensi yang lebih tinggi?

Caranya adalah pada saat sudah berada pada mode frekuensi (FA1/FA2), tekan-tahan tombol 1 agak lama. Misalnya saat tampilan berupa angka 999 (bisa digeneralisir dengan notasi xxx), ketika tombol 1 dilepas setelah ditekan-tahan sesaat maka tampilan akan berubah menjadi xx.x. Angkanya tidak harus sama dengan angka pada rentang frekuensi sebelumnya. Kalau dinaikkan sampai maksimum pada rentang itu, indikatornya akan menjadi 99.9. Rentang terakhir yang didapat dengan tekan-tahan tombol 1 adalah x.x.x., dengan nilai maksimum 1.5.0. yang artinya 150 kHz. 

Berikut adalah beberapa capture hasil pengukuran dengan logic analyzer. Perhatikan bahwa nilainya tidak selalu sama dengan nilai nominal.

Gambar 4.  [ Klik pada gambar untuk memperbesar tampilan ]

Gambar 4 adalah tampilan saat indikator alat PWM generator menunjukkan FA1 sebesar 999, dan du1 50. Nilai ini seharusnya menunjukkan keluaran sebesar 999 Hz dengan duty cycle sebesar 50%. Tetapi logic analyzer dengan pengaturan sample rate 20 MS/s, sebanyak 100 samples, menunjukkan hasil yang berbeda. Frekuensi sebesar 1,002 kHz dengan duty cycle sebesar 50,01%.

Gambar 5.  [ Klik pada gambar untuk memperbesar tampilan ]

Gambar 5 adalah tampilan saat indikator alat PWM generator menunjukkan FA1 sebesar 99.9, dan du1 50. Nilai ini seharusnya menunjukkan keluaran sebesar 99.9 kHz dengan duty cycle sebesar 50%. Tetapi logic analyzer dengan pengaturan sample rate 20 MS/s, sebanyak 100 samples, menunjukkan hasil yang berbeda. Frekuensi sebesar 100 kHz dengan duty cycle sebesar 46,67%.

Gambar 6.  [ Klik pada gambar untuk memperbesar tampilan ]

Gambar 6 adalah tampilan saat indikator alat PWM generator menunjukkan FA1 sebesar 1.5.0. , dan du1 50. Nilai ini seharusnya menunjukkan keluaran sebesar 150 kHz dengan duty cycle sebesar 50%. Tetapi logic analyzer dengan pengaturan sample rate 20 MS/s, sebanyak 100 samples, menunjukkan hasil yang berbeda. Frekuensi sebesar 149,1 kHz dengan duty cycle sebesar 44,1%.

Berikut ini adalah data yang diperoleh dari salah satu penjual alat ini di toko online di Indonesia.

[Disclaimer: Tidak ada kepentingan komersial apa pun, anda bebas mencari dari toko/sumber yang berbeda. Ini bukan promosi, hanya menampilkan data] 

Cara pakai, ada 3 tombol:
1. Press the [ Set ] key momentarily to switch to display four parameter values ( FR1 : frequency of PWM1 ; d U1 : duty ratio of PWM1 ; FR2 : frequency of PWM2 ; dU2 : duty ratio of PWM2 ) . The parameter name flashes.
2. Press [ Up ] and [ Down ] directly to modify the current parameter value ( long press to increase or decrease quickly ).
3. Two PWM each preset has three kinds of frequency values, the display interface in the frequency, a long press [ SET ] key once to switch, 3 uniform duty cycle frequencies are available . ( XXX: range 1Hz ~ 999Hz ; XX.X : the range of 0.1 Khz ~ 99.9Khz ; XXX : range 1Khz ~ 150 Khz )

Spesifikasi:
– Tegangan: 5-30V, support micro USB 5.0V power supply
– Frequency range: 1Hz ~ 150KHz.
– Pulse width range: 0 – 100%
– Frequency accuracy: 2%.
– Output current: 30mA
– Output amplitude: default 5Vp-p (settable)
– Operating temperature range: -30 ~ +70 C
– Dimensi: 4.3 x 2.9 x 0.9 cm

Jika anda memiliki akses Internet yang lancar dan kondisi memungkinkan, saya menyarankan untuk dapat menyaksikan dan menyimak video yang bagus mengenai alat PWM generator berikut ini.


Video 1. Cara peggunaan PWM generator

Untuk peralaran/sistem praktik seperti ini ada dua alur, yaitu alur maju dan alur mundur. Pada alur maju, engineer atau engineering technologist terlebih dahulu membuat rancangan rangkaian seperti yang saya lakukan dengan Multisim Live pada Gambar 7 di bawah ini.  Alur yang kedua adalah alur mundur, yaitu kita membuat diagram rangkaian dari rangkaian/sistem yang sudah ada. Hal semacam ini lazim disebut sebagai reverse engineering.

Pada saat saya merakit cepat sistem untuk prakik BJT NPN ini sebenarnya saya berharap agar setidaknya ada hikmah lebih dari praktikum pengganti ini. Saya berharap papan praktik ini bisa juga menjadi sarana latihan reverse engineering sederhana bagi mahasiswa.

Gambar 7. Rancangan/simulasi/dokumentasi rangkaian penyakelaran BJT NPN

Image result for BD139Gambar 8.  Pinout kaki BJT NPN BD139

Transistor yang dipergunakan pada papan percobaan adalah BD139.  Sebagiamana standar operasi untuk pekerjaan sistem elektrikan yang mengacu pada ‘katalog’, maka untuk banyak pekerjaan dan proses belajar di sistem elektronika perlu mengacu pada datasheet (data sheet). Selain dari application note, manual, white paper dan user’s guide. Hampir seperti obat-obatan medis yang memiliki tipe obat generik, beberapa komponen dengan tipe yang sama dibuat oleh produsen yang berbeda. Misalnya beberapa datasheet BD139 dikeluarkan oleh produsen yang berbeda, oleh Semiconductor Components Industries, LLC (ON Semi/ON Semiconductor), dan oleh STMicroelectronics. Mahasiswa perlu membiasakan diri untuk membuka, membaca, dan mengacu pada datasheet, selain dari melakukan pengukuran karakteristik komponen dengan instrumen.

 

Gambar 9. Papan percobaan penyakelaran transistor NPN

Pada Gambar 9, pin penanda satu sampai tiga adalah untuk tombol/switch pengaturan yang penggunaannya telah dijelaskan pada bagian sebelumnya di artikel ini. Pin 4 menunjukkan kabel USB yang memberikan daya melalui micro USB 2.0 port. Sumber daya bisa didapat misalnya dari charger telepon genggan yang telah diketahui memiliki pengaturan tegangan yang stabil. Pin 5 adalah kaki emitor dari BJT NPN BD139 yang terhubung dengan jalur GND dari port USB. Sekali lagi sebaiknya praktikan melihat dan mengacu pada datasheet. Pin penanda 6 menunjukkan resistor pada kaki kolektor dengan nilai nominal 330 Ω. Sedangkan pin penanda 7 adalah resistor pada kaki basis dengan nilai nominal 100 Ω. Agar dapat menghitung besar arus dengan benar, sebaiknya praktikan melakukan pengukuran kedua nilai resistor sebelum papan dihubungkan dengan catu daya.

Rating daya untuk kedua resistor sebenarnya tidaklah perlu sebesar yang saya pasang. Saya menggunakan resistor yang pada saat itu tersedia. Inilah contoh pentingnya memiliki sejumlah komponen untuk beberapa nilai yang sesuai, misalnya beberapa resistor dengan nilai resistansi yang berbeda yang paling umum sering dipergunakan. Kalau perlu memilih karena keterbatasan dana, pilihlah yang dayanya memadai agar bisa dipergunakan pada lebih dari satu skenario penggunaan.

Gambar 10. Male pin header

Pin penanda 1 pada Gambar 10 menunjukkan jalur GND dengan menggunakan male pin header, terhubung langsung dengan masukan lewat micro USB 2.0 port. Sedangkan pin 2 menunjukkan jalur tegangan +5V, juga dari USB port. Harap berhati-hati mengoperasikan peralatan/probe di sekitar jajaran pin header ini, jangan sampai terjadi hubung pendek.

Perhatikan juga bahwa male pin header berwarna putih di dekat BJT  NPN dan berada di samping (terhubung paralel) dengan LED tidak dihubung singkat dengan kabel. Jika kedua pin header yang berseberangan itu terhubung, maka untuk eksperimen ini lepaslah salah kabel dari salah satu pin header.

Percobaan pertama yang dilakukan dengan papan BJT NPN ini adalah percobaan sebgaimana pada Gambar 7 di atas yang dikutip ulang di bawah ini:

Pada dasarnya rangkaian ini adalah rangkaian penyakelaran LED yang dilindungi oleh resistor dengan nilai nominal 330 Ω. Jika diukur dengan benar sebelum dihubungkan dengan rangkaian daya nilai resistor yang terukur bisa jadi tidak sama (persis) nilainya.

Cara percobaan ini memudahkan untuk melihat pengaruh penyakelaran pada suatu komponen. Kedipan LED pada frekuensi rendah memberi umpan balik langsung kepada praktikan mengenai kerja penyakelaran oleh BJT NPN yang sedang berlangsung, bahkan (misalnya) tanpa bantuan instrumen oscilloscope. Alasan ini adalah dasar dari pengaturan rangkaian percobaan pada papan BJT NPN.

Jika anda menggunakan oscilloscope untuk melakukan experimen, ada beberapa konfigurasi yang bisa dilakukan. Jika menggunakan dua probe untuk dua kanal (channel) maka kanal satu dipergunakan untuk melakukan pengukuran terhadap Vbe , hubungkan probe ke kaki basis dari NPN. Probe kanal dua dihubungkan dengan kaki kolektor NPN untuk dapat mengukur perubahan teganan Vce. Jika anda bisa menggunakan tiga kanal, mana probe untuk kanal ketiga dihubungkan dengan keki anode dari LED. Jika anda menggunakan empat kanal, maka anda bisa menghubungkan kanal terakhit itu ke kutub positif catu daya. Semua ground dari kanal dihubungkan ke kaki emitor NPN atau ke sisi negatif dari catu daya.

Jika hanya memilki akses ke oscilloscope dengan dua kanal, penempatan kanal kedua dapat dilakukan bergantian antara kaki kolektor, kaki anode LED, dan sumber positif dari catu daya. Dengan metode ini anda masih bisa mengukur nilai arus kolektor yang mengaliri resistor dan LED. Dengan cara yang sama pula, penempatan probe kanal satu juga dapat dilakukan begantian di antara kaki-kaki resistor basis untuk dapat mengukur nilai arus basis.

Dengan mengetahui nilai atus kolektor dan arus basis, anda bisa menghitung penguatan, βdc atau hFE pada saat itu. Lalu bandingkan dengan informasi pada datasheet dan teori baku tentang bagaimana operasi suatu BJT NPN.

Eksperimen pertama menggunakan LED untuk bantuan visual (selain juga sebagai wawasan untuk biasa melakukan peyakelaran LED). Tetapi pada frekuensi yang lebih tinggi, kedipan LED itu tidak mudah terlihat. Dari sudut pandang ini, kegunaan keberadaan LED menjadi berkurang. Maka setelah bisa melihat dan membandingkan fenomena tampilan LED pada frekuensi yang lebih tinggi, akan lebih bermanfaat jika LED tidak lagi diaktifkan. Caranya adalah seperti pada Gambar 11, kaki anode pada LED dihubung singkat dengan kaki katode LED dengan bantuan kabel jumper

Gambar 11. Eksperimen kedua, tanpa LED

 

Lihat dan bandingkan anatara Gambar 10 di atas dengan Gambar 12 di bawah ini. Lihat pada Gambar 12 terdapat kabel berwarna abu-abu yang menghubungkan kedua male pin header sehingga kedua kaki LED (anode dan katode) terhubung singkat. 

Gambar 12. Eksperimen kedua, tanpa LED

Pin penanda 1 adalah male pin header yang terhubung paralel dengan kaki  katode LED, pin penanda 2 terhubung paralel dengan kaki anode LED. Pin 3 adalah LED daya rendah. Pin 4 adalah kaki basis NPN BJT BD 139 (tetaplah melihat dan mengacu pada datasheet). Pin 5 adalah penanda resistor basis dengan nilai sekitar 100 Ω.

Cara melakukan percobaan kali ini masih hampir sama dengan percobaan/eksperimen sebelumnya. Perbedaannya, sekarang kaki kolektor NPN (juga kaki katode LED) berada pada node yang sama dengan kaki anode LED. Ini dengan asumsi resistansi pada kabel jumper diabaikan.

Gambar 13. Mahasiswa sedang memulai eksperimen/percobaan

Pada saat saya menulis artikel ini, papan percobaan BJT NPN ini masih dipakai sebagai modul percobaan pengganti pada praktikum. Jika peralatan pengganti yang lebih baik yang sedang dibuat mahasiswa sudah selesai dengan baik, maka peralatan papan BJT NPN BD 139 ini direncakanan akan digeser untuk dipakai di mata kuliah teori Elektronika Daya 2. Dengan metode pembelajaran problem based learning, mahasiswa harus merekonstruksi sendiri pengetahuannya tentang penyakelaran BJT NPN dengan PWM. Dengan information literacy yang sudah diajarkan di semester 5 seharusnya mahasiswa yang sungguh-sungguh dalam belajar tidak akan menemui kesulitan untuk dapat memahami. Di Internet telah banyak sumber belajar audio-visual yang bisa dipelajari dan diperbandingkan satu-sama-lain. Papan ini akan membantu memudahkan mahasiswa untuk belajar secara mandiri di ruang laboratorium.

Pembiasaan belajar mandiri ini tidaklah unik. Telah berlaku lama di negara-negara yang maju dalam STEM (science, technology, engineering. and mathematics). Oleh karena itu pula mereka yang lebih siap untuk melakukan transisi ke Revolusi Industri 4.0. Diperkirakan di era ini bidang lapangan pekerjaan untuk tingkat lulusan perguruan tinggi akan mengalami pergeseran dan gangguan. Banyak pekerjaan baru yang muncul, umumnya menuntut kemampuan berpikir, kognitif, yang lebih baik. Pekerjaan rutin untuk level ini akan mulai berkurang. Kecuali lulusan perguruan tinggi (dengan sejumlah besar pengorbanan sumber daya seperti waktu dan biaya) hendak direlakan untuk fokus pada manual labour di level di bawahnya. Pekerjaan fisik berat memang masih akan banyak diperlukan mengingat biaya modal dan operasi robot masih akan lebih mahal dibandingkan dengan tenaga kerja manusia.

Selamat belajar !

Sumber belajar:
  • TBA
  • TBA
  • TBA
  • TBA
  • TBA
  • TBA
  • TBA
  • TBA

 

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.