Komponen pasif di papan kendali: resistor, kapasitor, induktor, sekring, varistor, dan termistor, membaca nilai, mengukur, dan mengenali kerusakan

Mesin cuci-peras 25 kilogram di laundry sebuah hotel mati total setelah hujan petir semalam. Teknisi membuka panel, menemukan sekring kaca di papan kendali putus, lalu menggantinya. Begitu mesin dihidupkan, sekring itu putus lagi. Ia mengulang sampai tiga kali, kemudian memesan papan baru yang harganya hampir sepersepuluh harga mesin.

Teknisi yang lebih senior meminjam papan itu. Ia menemukan varistor di belakang sekring yang retak dan hubung singkat, sebuah kapasitor elektrolit di dekat catu daya yang tutupnya menggembung, dan sebuah resistor kecil yang menghitam di sisi keluaran yang menggerakkan relai. Sekring putus karena varistor yang hubung singkat, bukan karena sekringnya lemah. Kapasitor yang menggembung menjelaskan keluhan lama bahwa papan sering mengatur ulang sendiri, dan resistor yang hangus menunjuk transistor penggerak yang ikut rusak. Bab ini menjelaskan komponen pasif dari sisi teknisi perawatan, sehingga teknisi dapat membaca nilai, mengukur, dan menelusuri penyebab kerusakan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas resistor, kapasitor, induktor, sekring, varistor, dan termistor di papan kendali peralatan laundry, dapur, dan utilitas: penandaan, nilai, pengukuran, kerusakan, dan keselamatan. Tegangan, arus, resistansi, dan daya ada di Bab 1; multimeter di Bab 15; keselamatan alat ukur di Bab 14; kerja aman dan isolasi di Bab 76; bahaya listrik pada tubuh di Bab 75; induktansi dan energi tersimpan di Bab 11; proteksi surja di instalasi di Bab 35; sekring dan pengaman di instalasi di Bab 23; bagian papan kendali, mikrokontroler, dan urutan diagnosis papan di Bab 2 · Komputasional; fisika sambungan semikonduktor dan termistor di Bab 26 · Fisika; sensor suhu di Bab 60; dioda dan penyearah di Bab 84; dan transistor penggerak di Bab 85.

Sumbernya adalah narasi Teknik Elektro dan Elektronika, terutama buku troubleshooting dan perbaikan elektronik tanpa skema, buku dasar elektronika, buku teknologi listrik, buku panduan elektronika, dan manual perbaikan elektronik, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Nilai komponen tertentu diambil dari lembar data pabrik atau dari penandaan di papan; angka contoh adalah angka latihan.

Membaca papan

Setiap komponen di papan diberi kode rujukan di sablonnya: R untuk resistor, C untuk kapasitor, L untuk induktor, F untuk sekring, RV atau VR untuk varistor, dan TH, NTC, atau RT untuk termistor (nilai literatur umum). Nomor di belakangnya menunjukkan kelompok rangkaian, misalnya R805 di dekat catu daya dan R12 di dekat mikrokontroler.

Papan modern memakai banyak komponen pasang permukaan (SMD). Buku troubleshooting dalam narasi mencatat bahwa transistor, kapasitor, dan resistor pasang permukaan sangat sulit ditemukan tanpa skema dan kaca pembesar, dan bahwa komponen itu disolder di kedua ujungnya ke jalur tembaga papan. Bahan ajar dasar listrik dan elektronika dalam narasi mencatat bahwa nilai atau kode komponen SMD dicetak di atas komponennya. Kaca pembesar, senter, dan foto papan sebelum dibongkar adalah alat pertama teknisi.

Resistor

Buku elektronika yang dijelaskan secara sederhana dalam narasi menyebut bahwa resistor membatasi aliran arus di rangkaian. Di papan kendali, resistor membatasi arus LED, membagi tegangan untuk sensor, menarik masukan ke tegangan tertentu, dan membatasi arus basis transistor.

Kode warna. Buku panduan elektronika dalam narasi mencatat bahwa pada resistor bergelang empat, gelang ketiga adalah pengali dan gelang terakhir adalah toleransi, dan buku dasar elektronika mencatat bahwa resistor film bergelang lima memakai gelang keempat sebagai pengali dan gelang kelima sebagai toleransi. Urutan warnanya (nilai literatur umum): hitam 0, cokelat 1, merah 2, oranye 3, kuning 4, hijau 5, biru 6, ungu 7, abu-abu 8, putih 9; emas sebagai pengali 0,1 atau toleransi 5 persen, perak 0,01 atau 10 persen.

Kode SMD. Kode tiga angka berarti dua angka nilai dan satu pengali, kode empat angka berarti tiga angka nilai dan satu pengali, dan huruf R menandai koma desimal (nilai literatur umum). Buku teknologi listrik dalam narasi mencatat bahwa toleransi resistor chip tidak ditunjukkan oleh kode tiga atau empat angkanya.

Daya dan tegangan. Resistor juga punya rating daya. Buku dasar elektronika mencatat bahwa rating daya yang lebih tinggi juga memungkinkan rating tegangan yang lebih tinggi, sehingga resistor di rangkaian bertegangan tinggi tidak diganti dengan resistor kecil walaupun nilainya sama. Daya dihitung $P = V^2/R$ atau $P = I^2 R$, seperti di Bab 1, dan resistor dipilih dengan cadangan, misalnya dua kali daya yang dihitung (nilai literatur umum). Buku yang sama menjelaskan potensiometer sebagai pembagi tegangan variabel dengan tiga terminal.

Kerusakan. Resistor paling sering putus atau nilainya naik karena panas, jarang hubung singkat. Manual perbaikan elektronik dalam narasi mencatat bahwa resistor dan komponen lain yang terbakar sering dapat dilihat dan bahkan dicium. Resistor yang hangus hampir selalu akibat, bukan penyebab. Buku troubleshooting dalam narasi menyarankan memeriksa semua transistor di rangkaian bila ditemukan resistor yang terbakar, karena transistor yang hubung singkat membuat resistor seri di depannya menanggung arus berlebih.

Mengukur di papan

Resistansi diukur dengan papan tanpa daya dan kapasitor sudah kosong, seperti di Bab 14 dan Bab 76. Di papan, ohmmeter membaca resistor bersama semua jalur paralel di sekitarnya, sehingga hasilnya bisa lebih kecil dari nilai sebenarnya, tetapi tidak pernah lebih besar. Bila bacaan jauh di bawah nilai, satu kaki resistor dilepas lebih dulu sebelum disimpulkan rusak. Bila bacaan jauh di atas nilai, resistor itu hampir pasti putus atau naik nilainya.

Buku troubleshooting dalam narasi menyebut bahwa pendingin semprot membantu menemukan gangguan termal yang berselang pada transistor, IC, resistor, kapasitor, dan komponen SMD, dengan menyemprot satu komponen sekali sambil mengamati gejalanya. Cara menggunakan multimeter dengan benar ada di Bab 15.

Kapasitor

Buku panduan elektronika dalam narasi menyebut kapasitor sebagai komponen elektronik pasif yang tidak menghasilkan energi. Kapasitor menyimpan muatan, menyaring riak, menahan tegangan saat beban berubah, dan membuang derau. Hubungan dasarnya, seperti dijelaskan buku elektronika praktis dalam narasi, adalah arus 1 µA yang masuk ke kapasitor 1 µF menaikkan tegangannya 1 V per detik:

Jenis yang lazim di papan (nilai literatur umum):

1. Keramik: kecil, tidak berpolaritas, untuk penyaring derau dan pelepas. Buku dasar elektronika mencatat toleransi kapasitor keramik umum sekitar ±20 persen.
2. Film: lebih stabil, termasuk kapasitor keselamatan X dan Y di masukan jala-jala.
3. Elektrolit aluminium: kapasitansi besar untuk penyaring catu daya, berpolaritas. Buku dasar elektronika menekankan bahwa kapasitor elektrolit harus dipasang dengan polaritas yang benar.
4. Tantalum: kecil dan berpolaritas, dapat hubung singkat bila tegangan lebih.

Kode tiga angka pada kapasitor kecil dibaca dalam pikofarad, misalnya 104 adalah 100.000 pF atau 100 nF (nilai literatur umum). Kapasitor elektrolit menuliskan kapasitansi, tegangan kerja, dan suhu maksimum, misalnya 105 °C. Pengganti harus bertegangan kerja sama atau lebih tinggi, dan bersuhu sama atau lebih tinggi.

ESR. Buku troubleshooting dalam narasi mendefinisikan resistansi seri setara (ESR) sebagai jumlah semua resistansi internal di dalam kapasitor, dan menyarankan memeriksa kapasitor elektrolit dengan meter ESR. Kapasitor elektrolit yang menua kehilangan elektrolitnya, ESR-nya naik, dan riak yang lewat memanaskannya, sehingga ESR naik lagi. Kapasitansinya bisa masih terbaca normal di multimeter, padahal ESR-nya sudah terlalu tinggi untuk menyaring catu daya.

Tanda kerusakan. Tutup yang menggembung, cairan cokelat di kaki atau di papan, badan yang menyusut, atau jalur papan yang menghitam di bawahnya. Buku troubleshooting mencatat bahwa dengung yang sangat keras biasanya disebabkan satu atau dua kapasitor penyaring; di papan kendali, gejala yang setara adalah papan yang mengatur ulang sendiri, relai yang berkedip, atau tampilan yang redup.

Umur dan panas. Umur kapasitor elektrolit kira-kira berlipat dua untuk setiap 10 °C di bawah suhu ratingnya, dan berkurang separuh untuk setiap 10 °C di atasnya (nilai literatur umum). Papan di panel mesin pencuci piring atau mesin cuci yang panas dan lembap menua jauh lebih cepat daripada papan di ruang ber-AC, seperti di Contoh 8.

Mengosongkan kapasitor dengan aman

Kapasitor penyaring di sisi jala-jala dapat menyimpan tegangan ratusan volt beberapa menit sesudah daya diputus. Energinya:

dan tegangannya turun lewat resistor pengosong menurut $V = V_0 \, e^{-t/RC}$. Kapasitor dikosongkan lewat resistor berdaya cukup, misalnya beberapa kilo-ohm dan beberapa watt, dengan ujung berisolasi, lalu tegangannya diukur sebelum disentuh, sesuai Bab 14 dan Bab 76. Kapasitor besar tidak dihubung singkat dengan obeng: busurnya merusak kaki dan jalur papan dan dapat melukai. Bahaya arus pada tubuh ada di Bab 75.

Induktor dan ferit

Induktor menyimpan energi dalam medan magnet, menahan perubahan arus, dan bersama kapasitor menyaring derau dan riak. Dasar induktansi dan tegangan induksi saat pemutusan ada di Bab 11. Buku dasar elektronika dalam narasi mencatat bahwa inti induktor frekuensi tinggi biasanya serbuk besi atau ferit. Di papan kendali, yang lazim dijumpai adalah induktor penyaring di catu daya, choke mode bersama di masukan jala-jala, dan manik ferit pada kabel sinyal. Kerusakannya adalah belitan putus, terbakar, atau inti retak; resistansi induktor kecil biasanya hanya beberapa ohm atau kurang, sehingga ohmmeter cukup untuk menemukan belitan yang putus.

Sekring, varistor, dan termistor

Sekring papan biasanya sekring kaca atau keramik, cepat atau lambat. Sekring diganti dengan rating arus, tegangan, kecepatan, dan kapasitas pemutusan yang sama, seperti dibahas untuk instalasi di Bab 23. Buku troubleshooting dalam narasi mencatat bahwa sekring putus karena komponen keluaran yang bocor, dan contoh lain di buku yang sama adalah sekring yang putus akibat transistor regulator yang hubung singkat. Sekring yang putus adalah gejala; sebelum sekring baru dipasang, rangkaian sesudahnya diukur dulu untuk hubung singkat. Buku dasar elektronika menunjukkan bahwa saat rangkaian bertegangan, ujung sekring yang putus di sisi beban terbaca 0 V karena terputus dari sumber, sehingga tegangan penuh terukur di antara kedua ujung sekring yang putus.

Varistor (MOV) dipasang di antara fasa dan netral di masukan papan. Resistansinya sangat tinggi pada tegangan normal dan turun tajam pada tegangan lonjakan, sehingga ia menyerap surja. Surja yang terlalu besar dapat membuatnya retak dan hubung singkat, lalu sekring putus, seperti di kasus pembuka. Proteksi surja di tingkat instalasi ada di Bab 35.

Termistor berubah resistansinya dengan suhu. Buku bahan dalam teknik listrik dalam narasi membahas termistor NTC dan PTC beserta karakteristiknya, dan fisika serta perhitungan resistansinya ada di Bab 26 · Fisika. NTC dipakai sebagai sensor suhu, seperti di Bab 60, dan sebagai pembatas arus masuk di catu daya: dingin resistansinya beberapa ohm, setelah panas turun menjadi kecil. PTC dipakai sebagai sekring yang dapat pulih dan sebagai pemanas pengatur sendiri (nilai literatur umum). Termistor pembatas arus yang masih panas tidak membatasi lagi, sehingga papan yang dimatikan dan dihidupkan cepat berulang kali dapat memutuskan sekringnya.

Menelusuri kerusakan

Urutan diagnosis papan secara keseluruhan, dari catu daya sampai masukan dan keluaran, ada di Bab 2 · Komputasional. Urutan di bawah ini berlaku sesudah kerusakan dipersempit ke bagian tertentu papan, dan menghindari penggantian berulang (nilai literatur umum):

1. Lihat dan cium: komponen hangus, kapasitor menggembung, jalur menghitam, sambungan solder retak. Buku troubleshooting dalam narasi menyarankan memeriksa papan di tempat komponen yang terlalu panas tersambung ke jalur papan.
2. Ukur tanpa daya: hubung singkat di belakang sekring, resistor putus, dan ESR kapasitor penyaring.
3. Cari penyebab di sekitar akibat: resistor hangus menunjuk transistor atau beban; sekring putus menunjuk komponen hubung singkat di belakangnya.
4. Ganti dengan komponen setara atau lebih baik: nilai, daya, tegangan, suhu, dan jenis yang sama.
5. Uji dengan beban terbatas bila tersedia, misalnya lampu seri atau catu daya berpembatas arus, sebelum papan dipasang kembali.
6. Catat komponen yang diganti dan penyebabnya.

Dalam kasus pembuka, urutan itu menghemat papan baru. Varistor yang retak diukur dan terbaca hubung singkat, sehingga sekring tidak akan pernah bertahan sebelum varistor diganti. Kapasitor penyaring yang menggembung diukur ESR-nya dan jauh di atas kapasitor baru yang sama, yang menjelaskan papan yang mengatur ulang sendiri saat relai menarik arus. Resistor hangus di sisi keluaran membawa pemeriksaan ke transistor penggerak relai di depannya, yang dibahas di Bab 85. Ketiganya diganti, papan diuji dengan lampu seri, lalu dipasang kembali dan diuji dengan satu siklus program penuh. Penyebab awal, yaitu surja petir, dicatat dan diteruskan ke pengelola gedung, karena proteksi surja di panel distribusi adalah pokok Bab 35.

Memilih komponen pengganti

Komponen pengganti dipilih menurut semua ratingnya, bukan hanya nilainya (nilai literatur umum):

1. Resistor: nilai, toleransi, daya, dan tegangan kerja; resistor pengaman yang sengaja dipasang sebagai pemutus (resistor sekring) diganti dengan jenis yang sama, bukan resistor biasa.
2. Kapasitor elektrolit: kapasitansi, tegangan kerja sama atau lebih tinggi, suhu 105 °C bila aslinya 105 °C, ESR rendah bila papan memakai catu daya pensakelaran, dan ukuran yang muat di papan.
3. Kapasitor keselamatan: kelas X atau Y yang sama; kapasitor biasa tidak boleh dipasang di posisi itu karena kegagalannya dapat menimbulkan kejut atau kebakaran.
4. Sekring: arus, tegangan, kecepatan, dan kapasitas pemutusan yang sama.
5. Varistor dan termistor: tegangan kerja dan energi varistor, serta resistansi dingin dan arus termistor yang sama.

Contoh kerja

Contoh 1: kode warna empat gelang. Kuning, ungu, merah, emas berarti $47 \times 10^2 = 4.700$ Ω dengan toleransi 5 persen, yaitu antara 4.465 dan 4.935 Ω.

Contoh 2: kode warna lima gelang. Cokelat, hitam, hitam, merah, cokelat berarti $100 \times 10^2 = 10.000$ Ω dengan toleransi 1 persen.

Contoh 3: kode SMD. Kode 472 berarti $47 \times 10^2 = 4{,}7$ kΩ; kode 1002 berarti $100 \times 10^2 = 10{,}0$ kΩ; kode 4R7 berarti 4,7 Ω.

Contoh 4: daya resistor. Resistor 1 kΩ yang mendapat 24 V menyerap $24^2/1.000 = 0{,}576$ W. Resistor 0,25 W akan hangus; dengan cadangan dua kali, dipilih resistor sekitar 1,2 W atau lebih, misalnya 2 W.

Contoh 5: kode kapasitor. Kode 104 berarti $10 \times 10^4$ pF = 100.000 pF = 100 nF = 0,1 µF; kode 223 berarti 22 nF.

Contoh 6: energi dan waktu pengosongan. Kapasitor penyaring 470 µF bermuatan 340 V menyimpan $\tfrac{1}{2} \times 470 \times 10^{-6} \times 340^2 = 27{,}2$ J. Lewat resistor 10 kΩ, $RC = 4{,}7$ s, dan waktu sampai 30 V adalah $4{,}7 \times \ln(340/30) = 11{,}4$ s. Daya awal di resistor $340^2/10.000 = 11{,}6$ W hanya sesaat, sehingga resistor 5 W cukup untuk pengosongan sesekali.

Contoh 7: ESR dan panas. Riak 1 A lewat kapasitor dengan ESR 0,1 Ω menimbulkan tegangan riak 0,1 V dan panas $1^2 \times 0{,}1 = 0{,}1$ W. Bila ESR naik menjadi 2 Ω, tegangan riaknya 2 V dan panasnya 2 W, sehingga kapasitor makin panas dan makin cepat rusak.

Contoh 8: umur kapasitor elektrolit. Kapasitor ber-rating 2.000 jam pada 105 °C, bila bekerja pada 65 °C, umurnya kira-kira $2.000 \times 2^{4} = 32.000$ jam, sekitar 3,7 tahun terus-menerus. Di panel mesin yang 85 °C, umurnya hanya $2.000 \times 2^{2} = 8.000$ jam, sekitar 11 bulan.

Contoh 9: termistor pembatas arus masuk. Pada puncak tegangan 325 V, kapasitor penyaring yang kosong hanya dibatasi resistansi kabel dan ESR, misalnya 0,5 Ω, sehingga arus sesaatnya secara teori $325/0{,}5 = 650$ A. NTC 10 Ω dalam keadaan dingin membatasinya menjadi $325/10 = 32{,}5$ A. Bila NTC masih panas karena papan baru dimatikan, batas itu hilang, dan sekring dapat putus.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Papan harus diukur atau diperbaiki dalam keadaan tersambung ke jala-jala tanpa alat ukur berkategori sesuai dan tanpa prosedur, seperti di Bab 14.
2. Kapasitor bertegangan tinggi belum terbukti kosong.
3. Sekring sudah diganti dan putus lagi; sekring tidak diganti dengan rating lebih besar, kawat, atau jembatan.
4. Komponen yang rusak berada di rangkaian fungsi keselamatan, misalnya kunci pintu atau pembatas suhu; papan diganti dengan suku cadang asli.
5. Papan berbau hangus, jalurnya terbakar, atau kapasitornya pernah meledak, dan pemilik meminta papan dipakai lagi tanpa pemeriksaan menyeluruh.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Sekring putus, ganti sekring yang lebih besar." Sekring melindungi papan; penyebab hubung singkatnya harus dicari.
2. "Kapasitor masih bagus karena kapasitansinya terbaca normal." ESR yang tinggi tidak terlihat dari kapasitansi.
3. "Resistor yang hangus adalah penyebabnya." Resistor hangus biasanya akibat komponen lain yang rusak.
4. "Kapasitor pengganti cukup sama nilai mikrofaradnya." Tegangan kerja, suhu, ESR, dan ukurannya juga harus sesuai.
5. "Bacaan ohmmeter di papan pasti benar." Jalur paralel membuat bacaannya lebih kecil.
6. "Kapasitor aman disentuh begitu steker dicabut." Tegangannya bisa bertahan berpuluh detik sampai menit.
7. "Varistor tidak perlu diperiksa karena jarang dipakai." Varistor yang hubung singkat sesudah petir adalah penyebab umum sekring putus.

Hubungan dengan bab lain

Bab 1 menjelaskan hukum dasar listrik, Bab 15 multimeter, Bab 14 dan Bab 76 keselamatan, Bab 75 bahaya listrik pada tubuh, Bab 11 induktansi, Bab 35 proteksi surja, Bab 23 sekring, Bab 2 · Komputasional papan kendali dan diagnosisnya, Bab 26 · Fisika fisika termistor, dan Bab 60 sensor suhu. Bab 84 membahas dioda dan penyearah, dan Bab 85 transistor penggerak yang sering menjadi penyebab resistor hangus.

Latihan dan pembahasan

1. Berapa nilai resistor bergelang merah, merah, oranye, emas?
2. Berapa nilai resistor SMD berkode 333 dan 1R0?
3. Resistor 220 Ω mendapat 12 V. Berapa dayanya, dan rating berapa yang dipilih?
4. Berapa kapasitansi kapasitor berkode 473?
5. Kapasitor 100 µF bermuatan 400 V. Berapa energinya, dan berapa lama sampai 30 V lewat resistor 4,7 kΩ?
6. Sekring papan yang baru diganti langsung putus lagi. Apa yang diperiksa sebelum sekring ketiga dipasang?

Kunci jawaban beralasan

1. $22 \times 10^3 = 22.000$ Ω, yaitu 22 kΩ, dengan toleransi 5 persen.
2. 333 berarti $33 \times 10^3 = 33$ kΩ; 1R0 berarti 1,0 Ω karena huruf R adalah koma desimal.
3. $12^2/220 = 0{,}65$ W; dengan cadangan dua kali sekitar 1,3 W, sehingga dipilih resistor 2 W.
4. Dua angka pertama 47, angka ketiga 3 berarti pengali $10^3$, dan satuannya pikofarad, sehingga $47 \times 10^3$ pF = 47.000 pF = 47 nF = 0,047 µF.
5. Energi $\tfrac{1}{2} \times 10^{-4} \times 400^2 = 8$ J. $RC = 0{,}47$ s, sehingga waktunya $0{,}47 \times \ln(400/30) = 1{,}2$ s, lalu tegangan tetap diukur sebelum disentuh.
6. Rangkaian sesudah sekring diukur tanpa daya untuk hubung singkat: varistor, penyearah, kapasitor penyaring, dan transistor atau IC catu daya. Bila papan sering dimatikan dan dihidupkan cepat, termistor pembatas arus masuk juga diperiksa.

Referensi