1 DC SWITCH 1.1 TUJUAN 1.Praktikan dapat memahami prinsip dasar saklar elektronik menggunakan transistor. 2.Praktikan dapat memahami prinsip dasar saklar elektronik menggunakan MOSFET. 3.Praktikan dapat memahami prinsip dasar saklar elektronik menggunakan SCR. 4.Praktikan dapat menganalisa dan menyimpulkan hasil praktikum. 1.2 DASAR TEORI Switch atau saklar adalah sebuah perangkat yang digunakan untuk memutuskan jaringan listrik, atau untuk menghubungkannya. Jadi saklar pada dasarnya adalah alat penyambung atau pemutus aliran listrik DC switch yang dimaksud adalah switch yang menggunakan komponen semikonduktor, sehingga dapat dikontrol oleh aliran listrik. Ada berberapa macam komponen yang dapat digunakan untuk dc switch antara lain : Transistor, MOSFET, SCR, dan SSR. Setiap komponen yang digunakan memiliki karakteristik yang berbeda Gambar 1.1 Transistor sebagai switch 1.2.1 TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH Untuk menghasilkan kondisi on/off seperti pada saklar, transistor dioperasikan pada salah satu titik kerjanya, titik saturasi dan cut off. Transistor akan aktif apabila diberikan arus pada basis transistor sebesar :
Saat kondisi saturasi, transistor seperti sebuah saklar yg tertutup (on) sehingga arus dapat mengalir dari kolektor menuju emitor. Sedangkan saat kondisi cutoff, transistor seperti sebuah saklar yg terbuka (off) sehingga tidak ada arus yg mengalir dari kolektor ke emitor. Gambar 1.2 Kurva titik kerja Transistor Agar transistor dapat bekerja sebagai saklar, ada beberapa hal yg harus diperhatikan diantaranya : 1. Menentukan Ic Ic adalah arus beban yg akan mengalir dari kaki kolektor ke emitor. Besarnya arus beban ini tidak boleh lebih besar dari Ic maksimum yang dpt dilewatkan oleh transistor. Arus beban ini dapat dicari dengan persamaan berikut : 2. Menentukan hfe transistor Setelah arus beban yg akan dilewatkan pada transistor diketahui maka selanjutnya adalah menentukan transistor yg akan dipakai dgn syarat spt berikut :
3. Menentukan Rb Setelah transistor yg akan dipakai sebagai saklar telah ditentukan maka selanjutnya adalah menentukan hambatan pada basis (Rb). Besarnya Rb ini dapat dicari dengan persamaan berikut : 1.2.2 MOSFET SEBAGAI SWITCH MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) merupakan salah satu jenis transistor yang memiliki impedansi mauskan (gate) sangat tinggi (Hampir tak berhingga) sehingga dengn menggunakan MOSFET sebagai saklar elektronik, memungkinkan untuk menghubungkannya dengan semua jenis gerbang logika. Dengan menjadikan MOSFET sebagai saklar, maka dapat digunakan untuk mengendalikan beban dengan arus yang tinggi dan biaya yang lebih murah daripada menggunakan transistor bipolar. Untuk membuat MOSFET sebgai saklar maka hanya menggunakan MOSFET pada kondisi saturasi (ON) dan kondisi cut-off (OFF).
Gambar 1.3 Kurva karakteristik mosfet Wilayah Cut-Off (MOSFET OFF) Pada daerah Cut-Off MOSFET tidak mendapatkan tegangan input (Vin = 0V) sehingga tidak ada arus drain Id yang mengalir. Kondisi ini akan membuat tegangan Vds = Vdd. Dengan beberapa kondisi diatas maka pada daerah cut-off ini MOSFET dikatakan OFF (Full-Off). Kondisi cut-off ini dapat diperoleh dengan menghubungkan jalur input (gate) ke ground, sehingga tidak ada tegangan input yang masuk ke rangkaian saklar MOSFET. Dengan beberapa karakteristik diatas maka dapat dikatakan bahawa MOSFET pada daerah Cut-Off merupakan saklar terbuka dengan arus drain Id = 0 Ampere. Untuk mendapatkan kondisi MOSFET dalam keadaan open maka tegnagan gate Vgs harus lebih rendah dari tegangan treshold Vth dengan cara menghubungkan terminal input (gate) ke ground. Wilayah Saturasi (MOSFET ON) Pada daerah saturasi MOSFET mendapatkan bias input (Vgs) secara maksimum sehingga arus drain pada MOSFET juga akan maksimum dan membuat tegangan Vds = 0V. Pada kondisi saturasi ini MOSFET dapat dikatakan dalam kondisi ON secara penuh (Fully-ON).
Kondisi saturasi MOSFET dapat diperoleh dengan memberikan tegangan input gate yang lebih tinggi dari tegangan tresholdnya dengan cara menghubungkan terminal input ke Vdd. Sehingga MOSFET mejadi saturasi dan dapat dianalogikan sebagai saklar pada kondisi tertutup. 1.2.3 SCR Silicon Controlled Rectifier (SCR) merupakan alat semikonduktor empat lapis (PNPN) yang menggunakan tiga kaki yaitu anoda (anode), katoda (cathode), dan gerbang (gate) dalam operasinya. SCR adalah salah satu thyristor yang paling sering digunakan dan dapat melakukan penyaklaran untuk arus yang besar. Pada prinsipnya untuk membuat SCR menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar a dibawah. Karena gate SCR letaknya dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate. Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi Gambar 1.4 Kurva karakteristik SCR Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar struktur thyristor dengan transistor pada artikel sebelumnya, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 vol
1.2.4 SSR (SOLID STATE RELAY) SSR adalah sebuah perangkat semikonduktor yang dapat digunakan menggantikan relay mekanik untuk menghubungkan arus listrik ke beban dalam banyak aplikasi. Artinya Solid state relay adalah sebuah saklar elektronik yang tidak memiliki bagian yang bergerak. Contohnya fotocoupled SSR, transformer-coupled SSR, dan hybrida SSRSolid-state relay adalah murni elektronik, biasanya terdiri dari sisi kontrol yang rendah/ low current control side (setara dengan kumparan relay elektromekanik) dan high-current load side (setara dengan kontak pada relay konvensional). SSR biasanya mempunyai kemampuan mengisolasi listrik beberapa ribu volt antara kontrol dan beban. Karena isolasi ini, beban sendiri hanya diberi power dari switch line sendiri dan hanya kan terhubung apabila ada kontrol sinyal yang mengoperasikan relay. Gambar 1.5 bagian dalam sebuah SSR SSR berisi satu atau lebih LED di input (drive). input ini menyediakan kopling optik sebuah phototransistor atau photodiode array, yang pada gilirannya menghubungkan ke sirkuit driver yang menyediakan sebuah interface ke perangkat switching atau perangkat pada output. Perangkat swithing biasanya MOS-FET atau TRIAC. 1.3 RANGKAIAN PERCOBAAN
(a) (b) (c) (d) Gambar 1.6 Rangkaian Percobaan (a) Transistor (b) MOSFET (c) SCR (d) SSR 1.4 ALAT DAN BAHAN 1. Modul DC Switch 1 2. Power Supply DC 1 3. Multitester digital 1 4. Osciloscope 1 5. Function Generator 1 1.5 LANGKAH KERJA Percobaan 1. (Transistor) 1. Siapkan alat dan bahan yang dibutuhkan. 2. Buat rangkaian seperti pada gambar rangkaian, atur Vcc dengan tegangan 12 Volt dari sumber tegangan modul. 3. Atur Vb (V input) sesuai data pada table. 4. Ukur perubahan nilai Ib, Ic, Vce untuk setiap perubahan Vb dan catat pada tabel. 5. Lakukan perhitungan hfe nilai Ib dan Ic yang didapat, dan bandingkan dengan hasil pengukuran. Percobaan 2. (MOSFET) 1. Siapkan alat dan bahan yang dibutuhkan. 2. Buat rangkaian seperti pada gambar rangkaian, atur Vcc dengan tegangan 12 Volt dari sumber tegangan modul.
3. Atur tegangan input agar nilai Vgs = (1.5 s.d. 4.0) kemudian ukur tegangan Vds dan Ids untuk setiap perubahan Vgs dan catat pada tabel. 4. Gambarkan hubungan Vgs (sumbu x) dan Ids (sumbu y) dengan menggunakan grafik. Percobaan 3. (SCR) 1. Siapkan alat dan bahan yang dibutuhkan. 2. Buat rangkaian seperti pada gambar rangkaian, atur Vcc dengan tegangan 12 Volt dari sumber tegangan modul. 3. Atur tegangan input agar nilai Vgate = (0.1,0.2.. 1.0) Lihat kondisi LED catat pada tabel. Setelah itu putuskan tegangan supply untuk membuat SCR off. 4. Lihat perubahan kondisi LED untuk setiap perubahan Vgate dan catat pada tabel 1.6 DATA PENGUKURAN Percobaan 1 (Transistor) Rb = 1 KOhm, Vs = 12V (dari modul) Vb (Volt) Ib perhitungan Ib pengukuran Ic pengukuran Vce (pengukuran) Hfe (Ic pengukuran/ib pengukuran) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Percobaan 2 (MOSFET) VS = 12 V
Vgs (V) 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 V ds (pengukuran) I ds (pengukuran) Percobaan 3 (SCR) Vgate (V) I gate teori (Vgate/Rgate) Igate pengukuran V AK (mv) I AK Kondisi LED 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
0.8 0.9 1.0 Analisa Data Untuk menghasilkan kondisi on/off seperti pada saklar, transistor dioperasikan pada salah satu titik kerjanya, titik saturasi dan cut off. Transistor akan aktif apabila diberikan arus pada basis transistor sebesar : Saat kondisi saturasi, transistor seperti sebuah saklar yg tertutup (on) sehingga arus dapat mengalir dari kolektor menuju emitor. Sedangkan saat kondisi cutoff, transistor seperti sebuah saklar yg terbuka (off) sehingga tidak ada arus yg mengalir dari kolektor ke emitor. Pada daerah saturasi MOSFET mendapatkan bias input (Vgs) secara maksimum sehingga arus drain pada MOSFET juga akan maksimum dan membuat tegangan Vds = 0V. Pada kondisi saturasi ini MOSFET dapat dikatakan dalam kondisi ON secara penuh (Fully-ON). Kondisi saturasi MOSFET dapat diperoleh dengan memberikan tegangan input gate yang lebih tinggi dari tegangan tresholdnya dengan cara menghubungkan terminal input ke Vdd. Sehingga MOSFET mejadi saturasi dan dapat dianalogikan sebagai saklar pada kondisi tertutup.
Kesimpulan : Switch atau saklar adalah sebuah perangkat yang digunakan untuk memutuskan jaringan listrik, atau untuk menghubungkannya. Jadi saklar pada dasarnya adalah alat penyambung atau pemutus aliran listrik.