Social Icons

Pages

Thursday, July 2, 2015

Matematik dalam TRANSISTOR (design rangkaian)

Lagi ngecat workshop plus beres-beres plus robah posisi interior ga kerasa 5 hari blom kelar-kelar, hari ini ngecat ruang tamu, dari pada ngelamun nungguin cat kering buat nimpa lapisan selanjutnya mendingan bikin artikel buat para newbie yang pengen design rangkaian sendiri tapi blom tau cara menentukan nilai komponen pendukungnya, misal resistor, elko, dioda, atau transistor lainnya.

Transistor NPN & PNP





Gw cukup lama banget mempelajari transistor ini, sampe banyak beli buku tapi ga ada yang cocok, buku tebel tapi gada isinya (menurut gw karna ga ngarti), wkwkwk ...

Memang yang namanya cara belajar setiap manusia itu ga bisa disamain, menurut gw inti dari belajar adalah fokus, lewat fokus otak kita bisa konsentrasi mengikuti petunjuk sekaligus memahaminya jadi bukan cuma menghapal atau mengingat, gw emang ga suka baca kecuali kepepet, sebetulnya transistor bisa dihitung karena susunan molekular semi konduktor pembentuknya, hal ini dihitung melalui fisika kimia secara matematik.

Transistor harus diperlakukan sesuai datasheet supaya transistor tersebut berfungsi sebagaimana mestinya, datasheet dibuat pabrik yang memuat nilai-nilai komponen bersangkutan, semacam manual book nya.

Transistor yang mau dibahas kali ini transistor bipolar yang memiliki 2 fungsi yaitu :

1. Amplifier 
2. Saklar elektrik

Transistor dapat digunakan secara linear state untuk menaikan signal lemah, inilah yang disebut proses amplifikasi, mangkannya alat yang sering kita sebut amplifier itu biasanya berupa sound system atau alat pengeras suara karena memang fungsinya adalah menaikan gain signal lemah, komponen IC Opamp (dibaca: op amp) kepanjangan dari 'operasional amplifier' didalamnya terdapat rangkaian komparator linear berupa transistor juga, haha .... gw bukan orang akademis dibidang ini jadi mudah-mudahan bahasanya mudah difahami maklum ga punya guru, biasanya murid akan seperti gurunya, gw belajar and meneliti sendirian jadi sorry kalo penjelasannya seperti guru gw yaitu alam, wkwkwk .... rumit and lebih sering mengajak berfikir.

IC Opamp


Gambar ini dari wikipedia, ini simbol Opamp seperti segitiga yang tertidur fungsinya sebagai komparator signal linear, bicara transistor bicara dunia transisi yaitu dunia analog dan digital, jadi transistor ini adalah hewan amfibi karna bisa hidup di dua alam, wkwkwk ... dibawah ini adalah gambar rangkaian sebenarnya yang berada didalam IC Opamp.

Rangkaian dalam IC Opamp
Komponen sekecil Opamp ternyata memuat rangkaian rumit seperti ini, ko bisa? Prosesor itu dalamnya jauh lebih rumit and lebih padat dari ini, secara ilmiah karena komponen elektro terbuat dari bahan kimia, harusnya kita mampu membuat yang seperti ini karna sebetulnya mudah, tapi jadi ga mungkin karena sistem perekonomian, sumpah cari bahannya aja susah, padahal negara ini kaya semua dari sini, wkwkwk .... bulan puasa jadi provokator, wkwkwk ...

Fungsi kedua transistor bipolar adalah sebagai saklar elektrik, dunia digital hanya mengenal H high and L low atau 1 dan 0, dunia digital menggunakan bilangan binari seperti 1011 <- yang artinya 4 bit, yang bisa dikonversikan menjadi bilangan lain seperti desimal, okta, hexa, dengan maksud untuk kemudahan perhitungan matematik dengan tipe data boolean saat membuat program, jadi komputer/smartphone yang digunakan untuk baca artikel ini tersusun dari rangkaian blok-blok flip-flop dan lacth yang banyak dan disusun sedemikian rupa hingga menghasilkan citra digital.

Tapi sebetulnya apa yang terjadi pada skala molekular semi konduktor tidak bernilai 1 dan 0 melainkan tetap linear, melalui molekular semi konduktor yang didesign tertentu itulah baru signal linear diseleksi aras logikanya, misal pada transistor pada saat saturasi VCE akan bernilai sekitar 0,2V jadi tidak 0 mutlak, begitu pula ketika transistor pada kondisi 'off state', bahan semi konduktor ini yang menyeleksi signal listrik menjadi aras logika seperti diatas 0,2V akan dianggap 1 atau HIGH signal, dibawah itu akan dianggap 0 atau LOW signal.

Seperti apa transistor pada saat dijadikan saklar elektrik? Simak gambar dibawah :

Transisor NPN
Yang gw tau semua saklar elektrik menggunakan transistor NPN bukan PNP, transistor minimal memiliki 3 kaki yaitu basis (B), colector (C), dan emitor (E), ketika basis tidak diberi signal maka signal reverse bias pada colector akan seperti gambar yaitu bernilai (+).

NPN artinya Negatip Positip Negatip, jadi basis harus diinput (+), colektor (+), dan emitor (-), kenapa kolektor (+)? Karena jika diberi negatip transistor tidak akan berfungsi sebagai mana mestinya, maka dari itu kolektor diberi signal reverse bias (terbalik), agar arus dari kolektor bisa mengalir ke E jika B bernilai (+), karena transistor itu adalah 2 buah dioda yang disatukan.


NPN saturasi
Apa itu saturasi? Saturasi adalah kondisi dinama transistor mengalami masa jenuh, haha ... transistor juga bisa bete coy! Kondisi inilah yang digunakan engineer untuk meng-cut off signal, pada saat Basis diberi signal (+) maka arus Colector akan mengalir menuju Emitor, kondisi inilah yang disebut 'Saturasi' alias 'jenuh'.

Kondisi ini bisa dimanfaatkan sebagai saklar elektrik yang dijamin 100% ga akan berbunyi cetak-cetek, haha ... and bisa digunakan pada frekuensi tinggi (modulasi) tergantung dari transistor itu sendiri.

Keterangan gambar :
VBE voltage basis emitor
VCE voltage colector emitor

Contoh kasus transistor bipolar 2N3904 dan 2N2222 yang mudah dicari dipasaran, untuk mengetahui datasheet transistor tersebut bisa digoogling via google dengan mengetikan keyword "2N3904 datasheet" yang biasanya berupa file berekstensi pdf.

Jika transistor tersebut diberi input pada B sebesar 0,7V maka transistor akan mengalami saturasi, bisa dibuktikan dengan mengukur VCE, jika VCE bernilai sekitar 0,2V, artinya transistor berfungsi dengan baik. Untuk memberi tegangan pada basis sebesar 0,7V tentunya harus menggunakan resistor dengan nilai yang tepat, misal microcontroller mengeluarkan tegangan output 5V agar transistor mengalami saturasi dan tidak jebol maka basis harus diberi resistor, gimana ngitungnya? Perhatikan keterangan dan gambar dibawah ini!

Transistor NPN dengan beban non induktip
Transistor bipolar
Keterangan gambar :
RB resistor basis
RC resistor colector
VBE voltage basis emitor
VCE voltage colector emitor
IB arus basis
IC arus colector
IE arus emitor
hFE gain transistor

Datasheet information :
Datasheet 2N3904/MMBT3904/PZT3904
Absolute maximum ratings
Electrical characteristics

Typical performance characteristic
Kita gunakan hukum ohm yaitu V=IxR, pertama-tama kita akan menentukan kasus dulu, contoh kasus sebuah microcontroller membutuhkan driver untuk menyalakan sebuah lampu LED, meskipun microcontroller mampu menyalakan lampu secara langsung tanpa bantuan sebuah driver (dalam kasus ini adalah transistor), terkadang microcontroller hanya memiliki total amper misal 40mA jika dipaksa menyalakan lampu+motor+relay+sensor+dkk, total beban menjadi diatas 40mA yang artinya diatas batas maksimum kemampuan microcontroller atau disingkat uC.

Untuk itu digunakan driver berupa transistor, dengan menggunakan driver uC hanya bertugas memberi signal cut-off saja tidak perlu mengalirkan arus besar untuk menyalakan lampu, uC hanya berfungsi sebagai controller sementara driver adalah penggerak dengan sumber arus beban sendiri, karna lampu akan ditenagai oleh sumber luar, begitu pula saat menggerakan motor uC hanya perlu memberi signal kepada driver karena motor ditenagai oleh sumber luar, dengan begitu uC ga bakalan kedodoran and berakibat panas karena tekor amper, meskipun uC menggunakan seluruh pin I/O nya uC akan tetap aman, alright kasusnya sudah jadi, sekarang soal cara menghitungnya.

Kita hitung RB dulu menggunakan hukum ohm 
R=V/I menjadi RB =(Vport[uC] - VBE)/IB

RB=(5 - 0,65)/IB

5 didapat dari port I/O uC sebesar 5V.
0,65 didapat dari datasheet VBEsat, karena kita akan menentukan kondisi nilai saturasi transistor.

IB didapatkan dari IC=hFExIB menjadi IB=IC/hFE
hFE menurut datasheet 300
IC didapat dari nilai total arus beban, dalam kasus ini adalah 1bh lampu LED merah=15mA, maka IC=1x15mA, IC=0,015A

IB=IC/hFE
    =0,015/300
    =0,00005A atau 0,05mA

RB=(5 - 0,65)/0,00005
     = 87000ohm atau 87K ohm warnanya (abu-ungu-oranye)

Sekarang kita tentuan nilai RC resistor pada colektor untuk mencegah LED terbakar karena kelebihan arus input.

R=V/I menjadi RC=(Vcc-Vled)/IC
RC=(5 - 2)/0,015A
     = 200 ohm warnanya (merah-coklat-hitam) atau (merah-hitam-hitam)

Resistor dengan watt berapa yang harus digunakan?
Menentukan daya RB, rumus daya adalah P=VxI atau P=I^2xR

P=(Vport[uC] - VBE)xIB
   =(5 - 0,65)x0,00005
   =0,0002175 watt masih dibawah 0,25 watt (seperempat watt)

Total kebutuhan resistor basis adalah 87K ohm - 1/4 watt.
 
 Besar daya RC

P=(Vcc - Vled)xIC
   =(5 - 2)x0,015
   =0,045 watt masih dibawah 0,25 watt (seperempat watt)

Total kebutuhan resistor kolektor adalah 200 ohm - 1/4 watt.

Beban induktip
Perhitungan untuk beban kerja lain seperti motor, relay, dsb, sama saja cara menghitungnya, perbedaan terletak pada rangkaian yang akan didesign, kita harus menentukan jenis beban induktip dan non-induktip, LED adalah jenis beban non-induktip yang artinya  beban tidak memiliki potensial arus balik (back EMF).

Beban induktip adalah beban yang memiliki potensial arus balik (back EMF), nilai arus balik ini bisa mencapai ratusan vol untuk koil kecil seperti motor, relay dan induktor, arus balik sebesar ini tidak akan mampu ditahan oleh transistor dan akan mengakibatkan transistor jebol, untuk itu transistor harus didampingi bodyguard berupa dioda seperti gambar diatas, perhatikan arah dioda jika terbalik beban tidak akan berfungsi meskipun transistor driver bekerja.

Driver 1 LED
Driver 3 LED (paralel)
Untuk menghitung nilai RC pada kasus diatas (3 LED paralel) maka nilai Vled cukup dijumlahkan, rangkaian ini cukup sederhana dan simple, tapi dengan catatan jika resistor jebol maka LED semuanya tidak akan menyala, jika masing-masing LED diberi resistor maka nilainya persis seperti yang sudah kita hitung diatas.

Driver motor
Driver ini hanya mampu meng ON/OFF kan motor saja, namun tidak mampu mengubah arah putaran motor, untuk itu harus dibuat rangkaian H-bridge menggunakan 4 transistor atau menggunakan IC H-bridge seperti L293D, dan L298N (dual H-bridge), rangkaian atau IC H-bridge ini berfungsi untuk mengubah polarisasi input motor dari (+)(-) ke (-)(+), rangkaian driver pada gambar diatas bisa juga difungsikan sebagai driver kecepatan motor dengan cara memberikan input signal PWM pulse width modulation pada kaki basis, hal inilah yang tidak akan mampu dilakukan saklar biasa.

Jika menggunakan catu daya atau power supplay bebeda ground harus di common alias disatukan, misal uC menggunakan +5V dan motor menggunakan +12V maka ground harus di common (disatukan).

Darlington pair

2 buah transistor NPN dapat pula dibuat menjadi transistor darlington bentuk hubungannya seperti gambar diatas, darlington digunakan untuk memenuhi kebutuhan arus pada kolektor dengan kelebihan arus basis yang tidak terlalu besar, misal port OUTPUT uC  digunakan untuk menggerakan motor besar, biasanya digunakan sebuah driver dari MOSFET metal oxide field effect transistor, MOSFET, FET, J-FET adalah pengembangan dari transistor jadi bagian dari transistor namun secara prinsip kerja agak berbeda.

Untuk menggantikan MOSFET bisa digunakan transistor darlington, misal 2N3904 + 2N3055 disusun menjadi darlington untuk menggerakan sebuah motor, atau bisa juga digunakan transistor khusus yang isinya 2 buah transistor yaitu darlington transistor seperti TIP122, atau bisa juga menggunakan array darlington seperti ULN2003, sebuah IC yang memuat 7 buah darlington transistor, atau ULN2028 yang memuat 8 buah darlington transistor yang sudah built in dioda pengamannya, mantap kan?

ULN2003
TIP122 pic by google.com
Terakhir yang penting, ketika menggunakan driver menggunakan transistor ada berbagai cara, hal ini penting agar syntax program yang disematkan pada uC singkron dengan rangkaian, perintah HIGH pada syntax program apakah mengindikasikan HIGH atau LOW pada beban, hal ini penting jangan sampe ketika kita menginginkan lampu menyala dengan perintah HIGH pada syntax program tapi justru lampu mati dan sebaliknya, berikut rangkaian sederhananya.

Driver 1



Pada rangkaian ini ketika basis diberi signal HIGH maka LED akan menyala, jika basis diberi signal LOW maka LED akan mati, kenapa? Coba baca lagi paparan diatas.

Driver 2
Nah gambar nyang gelap ini rangkaian drivernya berbeda, jika basis diberi signal HIGH maka LED akan padam, jika basis diberi signal LOW maka LED akan menyala, kenapa? Coba baca lagi paparan diatas.

Dari setiap design rangkaian seperti controller, dsb yang gw buat, gw selalu gunakan rumus diatas and 100% selalu berhasil optimal, dulu gw dapet ilmu ini dari http://www.ermicro.com/blog mudah-mudahan ilmu ini ada yang mengestafetkan lagi.

..... gimana cara menentukan nilai resistor untuk LED, mudah ko gw ga janji but next as soon as possible :D

Alright ... cukup kayanya ga perlu komplit-komplit amat, soalnya cat ditembok da kering sempurna tinggal hajar untuk ke-3 kalinya biar ok, haha .... semoga menginspirasi and terus berkarya!

Ramadhan bergerak menjadi kuli justru membuat badan semakin enak dan bertenaga, tapi penyakit hati agak susah ne, wkwkwk .... nyoo ah tafakur sambil ngecat, ngetiknya off dulu .. brother n' sister doain tafakur gw solved ne, haha ....thengkyu :D

It's journal of journey ... my journal my journey
Post a Comment