Transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik: transistor dan MOSFET sebagai sakelar, penggerak relai dan solenoid, optocoupler, triac, dan relai keadaan padat

Mesin pengering 30 kilogram di sebuah laundry hotel kadang tidak memutar drumnya. Lampu program menyala, kipas berputar, tetapi relai motor drum di papan kendali tidak menarik. Gejalanya paling sering muncul pagi hari, saat mesin masih dingin; setelah satu atau dua siklus, mesin bekerja normal. Teknisi mengganti relai itu, dan seminggu kemudian gejalanya kembali.

Catatan servis menunjukkan transistor penggerak relai itu pernah diganti setahun sebelumnya dengan transistor lain yang kakinya sama dan "jenisnya NPN juga". Transistor pengganti itu berpenguatan arus jauh lebih kecil. Dengan resistor basis asli, transistor tidak pernah jenuh: pada keadaan dingin koil relai hanya mendapat sekitar 17 V dari 24 V, sedikit di bawah tegangan tarik relai, dan transistor menanggung panas sekitar 0,3 W dalam kemasan kecil. Penguatan transistor naik ketika hangat, sehingga mesin bekerja setelah panel memanas. Bab ini menjelaskan cara transistor, MOSFET, optocoupler, dan triac bekerja sebagai sakelar di papan kendali, beserta perhitungan yang menunjukkan mengapa pengganti "yang mirip" tidak cukup.

Batas pembahasan

Bab ini membahas sakelar semikonduktor di papan kendali: transistor bipolar, MOSFET, Darlington dan larik penggerak, optocoupler, thyristor, triac, dan relai keadaan padat, termasuk perhitungan, panas, pengujian, dan penggantian. Data komponen tertentu diambil dari lembar data pabrik.

Fisika semikonduktor dan optokopler ada di Bab 26 · Fisika; resistor dan komponen pasif di Bab 83; dioda dan dioda bebas di Bab 84; daftar jenis keluaran papan dan diagnosis papan secara keseluruhan di Bab 2 · Komputasional; tegangan induksi koil dan peredamnya di Bab 11; pemilihan SSR, pendinginnya, dan kategori pemakaiannya di Bab 46; pemanas ber-SSR dan pembatas suhunya di Bab 58; SSR yang tidak boleh dipakai sebagai pemisah di Bab 31; keluaran sensor PNP dan NPN di Bab 59; keluaran transistor dan triac pada PLC di Bab 63; multimeter dan efek pembebanan di Bab 15; keselamatan alat ukur dan kerja aman di Bab 14 dan Bab 76; dan mesin pengering di Bab 15 · Laundry.

Transistor bipolar sebagai sakelar

Transistor bipolar (bipolar transistor) adalah komponen semikonduktor tiga terminal, yaitu kolektor, basis, dan emitor, yang arus kolektornya dikendalikan arus kecil di basis. Transistor dapat digambarkan sebagai dua dioda yang dipasang berlawanan, sehingga sambungan basis ke emitor dan basis ke kolektor dapat diuji seperti dioda. Arus kecil di basis mengendalikan arus besar di kolektor:

dengan $I_C$ arus kolektor (A), $I_B$ arus basis (A), dan $\beta$ penguatan arus (tanpa satuan). Sebagai contoh perhitungannya, dengan $\beta$ 250, arus kolektor 0,5 mA memerlukan arus basis 2 µA. Ketika arus basis nol, tidak ada arus kolektor dan transistor tertutup.

Sebagai sakelar, transistor hanya dipakai di dua keadaan:

1. Putus: arus basis nol, transistor tidak menghantar, dan seluruh tegangan catu ada di kolektor ke emitor.
2. Jenuh (saturation): arus basis cukup besar sehingga tegangan kolektor ke emitor turun sampai sekitar 0,1 sampai 0,3 V, dan beban mendapat hampir seluruh tegangan catu.

Di antara keduanya, transistor bekerja di daerah aktif: tegangan kolektor ke emitor besar sekaligus arusnya besar, sehingga panasnya besar. Itulah yang terjadi di kasus pembuka. Karena $\beta$ sangat bervariasi antartransistor, bergantung pada arus dan naik dengan suhu, arus basis dirancang beberapa kali lebih besar dari $I_C/\beta_{\text{min}}$, misalnya dua sampai lima kali:

dengan $k$ faktor kelebihan arus basis (tanpa satuan), $\beta_{\text{min}}$ penguatan arus minimum, $R_B$ resistor basis (Ω), $V_{\text{kendali}}$ tegangan keluaran pengendali (V), dan $V_{BE}$ sekitar 0,7 V. Daya transistor yang jenuh kecil: $P = V_{CE(\text{sat})} \, I_C$.

Penggerak sisi bawah dan sisi atas

Penggerak sisi bawah (low-side driver) memakai transistor NPN atau MOSFET kanal N di antara beban dan 0 V; beban tersambung tetap ke positif. Susunan ini paling umum di papan karena emitor atau source berada di 0 V yang sama dengan mikrokontroler. Penggerak sisi atas (high-side driver) memakai PNP atau MOSFET kanal P di antara positif dan beban, sehingga beban tersambung tetap ke 0 V; susunan ini dipilih bila beban atau kabelnya harus bertegangan nol saat mati. Bila tegangan terukur positif di kolektor dengan emitor terhubung ke 0 V, transistor itu jenis NPN. Susunan yang sama dipakai keluaran sensor tiga kawat di Bab 59 tentang sensor diskret dan pengawatan PNP dan NPN.

Keluaran kolektor terbuka (open collector) adalah keluaran transistor yang hanya menarik ke 0 V. Ketika transistor dimatikan, sebuah resistor menghubungkan logika ke +5 V, yaitu resistor penarik (pull-up resistor) yang memberi keadaan tinggi.

MOSFET

MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) adalah transistor efek medan yang dikendalikan tegangan, bukan arus. Gate dipisahkan oleh lapisan tipis silikon dioksida, dan karena resistansi gate yang sangat tinggi, praktis tidak ada arus gate. MOSFET bekerja baik sebagai sakelar jenuh dan dapat menyakelar beban daya bila digerakkan langsung dari level logika.

Yang menentukan di lapangan:

1. Tegangan gate: MOSFET standar baru menghantar penuh pada tegangan gate ke source sekitar 10 V; jenis level logika menghantar penuh pada 4,5 V atau bahkan 2,5 V. Lembar data menyebut resistansi hidup pada tegangan gate tertentu, dan angka itulah yang dipakai.
2. Resistansi hidup $R_{DS(\text{on})}$ (on-resistance): panasnya $P = I^2 R_{DS(\text{on})}$, dan resistansi itu naik ketika MOSFET panas.
3. Resistor gate dan penarik ke bawah: resistor seri membatasi arus pengisian gate saat menyakelar, dan resistor ke source menjaga MOSFET mati bila keluaran pengendali mengambang, misalnya saat mikrokontroler baru dinyalakan.
4. Dioda badan: MOSFET daya punya dioda internal dari source ke drain, sehingga arah pemasangannya tidak boleh terbalik.

Muatan statis. Lapisan oksida gate sangat tipis. Gate berisolasi pada dasarnya perangkat elektrostatik berresistansi sangat tinggi, dan kaki komponen FET jangan disentuh saat ditangani. MOSFET pengganti disimpan dalam kemasan antistatis dan dipasang dengan gelang pembumian.

Panas dan pendingin

Rugi daya terjadi saat penyakelaran dan menjadi panas, sehingga transistor dipasang dengan sekrup ke pendingin. Transistor daya sering memerlukan pendingin, dan suhu sambungan maksimum transistor silikon biasanya antara 150 dan 200 °C. Resistansi termal (thermal resistance) adalah kenaikan suhu per watt panas yang mengalir lewat suatu jalur, dalam K/W. Suhu sambungan dihitung dari daya dan resistansi termal berderet:

dengan $T_j$ suhu sambungan (°C), $P$ daya yang dibuang komponen (W), $T_a$ suhu udara di sekitar (°C), $R_{\theta jc}$ dari sambungan ke kemasan, $R_{\theta cs}$ dari kemasan ke pendingin, dan $R_{\theta sa}$ dari pendingin ke udara, dalam K/W. Tanpa pendingin, dipakai $R_{\theta ja}$ dari sambungan langsung ke udara.

Pemasangan ke pendingin sering memerlukan pasta pendingin. Pasta yang kering, sekrup yang kendur, atau isolator yang tertinggal saat penggantian menaikkan suhu sambungan. Transistor yang terlalu panas dapat menunjukkan bekas abu-abu atau putih di badannya dengan kaki yang hangus.

Darlington dan larik penggerak

Pasangan Darlington (Darlington pair) adalah dua transistor yang disusun berderet sehingga transistor pertama menggerakkan basis transistor kedua. Kelebihan susunan ini adalah penguatan arusnya yang bisa sangat besar, dan rangkaian ini populer. Akibatnya, tegangan basis ke emitornya sekitar 1,2 sampai 1,4 V dan tegangan jenuhnya sekitar 0,9 sampai 1,2 V, sehingga panasnya beberapa kali transistor tunggal pada arus yang sama.

Papan kendali sering memakai larik penggerak (driver array) berisi tujuh atau delapan pasangan Darlington dalam satu IC, lengkap dengan dioda bebas untuk koil relai di dalamnya. Satu kanal yang rusak tidak berarti seluruh IC harus dianggap baik: kanal lain yang berbagi kaki dioda bersama bisa ikut terbebani. Batas arus total IC dan panas paketnya juga harus diperiksa bila banyak kanal menyala bersama.

Optocoupler

Optocoupler atau optokopler adalah komponen yang menggabungkan LED dan fototransistor dalam satu kemasan, seperti dijelaskan di Bab 26 · Fisika tentang fisika semikonduktor dan foton. LED itu terpisah secara listrik dari transistornya, dan cahaya dari LED membangkitkan elektron bebas di fototransistor. Optocoupler dipakai untuk masukan dari luar papan, misalnya sinyal 24 V atau 230 V dari mesin, dan untuk umpan balik di catu daya pensakelaran.

Ukuran utamanya adalah rasio transfer arus (current transfer ratio, CTR), perbandingan arus keluaran terhadap arus LED:

dengan $I_{C,\text{maks}}$ arus keluaran terbesar (A) dan $I_F$ arus LED (A). CTR bervariasi antarkomponen dan turun seiring umur LED dan suhu, sehingga rancangan memakai CTR minimum dengan cadangan. Bila arus yang dibutuhkan resistor penarik di keluaran lebih besar dari $\text{CTR} \times I_F$, keluaran tidak turun penuh ke 0 V, dan mikrokontroler membaca keadaan yang tidak pasti. IC pemisah diganti bila ditemukan resistansi rendah di sisi transistornya.

Thyristor, triac, dan relai keadaan padat

Penyearah terkendali silikon (silicon controlled rectifier, SCR) atau thyristor adalah penyearah daya dengan elektroda gate untuk mengendalikan awal penghantaran, dan bila gate berada pada potensial katoda, SCR tidak menghantar. Triac adalah komponen tiga terminal dua arah yang berisi dua thyristor saling berlawanan. Thyristor dan triac sering dipakai pada tegangan tinggi dan jala-jala AC.

Sifat yang penting bagi teknisi:

1. Mengunci sampai arus nol: sekali dipicu, triac terus menghantar sampai arus beban melewati nol, sehingga mematikan sinyal gate tidak memutus beban seketika.
2. Penyalaan di tengah siklus: bila triac dinyalakan di tengah siklus, beban mendapat tegangan bertangga. Tangga tegangan itu menimbulkan derau dan arus lonjakan, sehingga beban resistif biasanya dinyalakan di titik nol tegangan.
3. Peredam RC dan arus bocor: peredam RC (RC snubber) paralel triac melindunginya dari lonjakan tegangan, tetapi juga mengalirkan arus bocor saat triac mati, seperti di Contoh 5.
4. Panas: tegangan jatuh triac sekitar 1 sampai 1,5 V pada arus kerja, sehingga triac berarus beberapa ampere memerlukan pendingin.

Relai keadaan padat (solid-state relay, SSR) adalah triac atau sepasang thyristor yang dipicu lewat optocoupler dalam satu kemasan. SSR menggantikan atau dipakai bersama relai elektromekanis. Pemilihannya, perhitungan pendinginnya, dan arus bocornya dibahas di Bab 46 tentang komponen kendali; kegagalan SSR yang paling berbahaya adalah hubung singkat, sehingga pemanas ber-SSR memerlukan pembatas suhu independen yang memutus lewat kontaktor, seperti di Bab 58 tentang kendali pemanas dengan sakelar proses; dan SSR tidak boleh dipakai sebagai pemisah untuk kerja aman, seperti di Bab 31 tentang isolasi, penyakelaran, dan pemutusan darurat.

Menguji transistor dan MOSFET

Pengujian tanpa daya memakai mode dioda multimeter, seperti dioda di Bab 84 tentang dioda dan penyearah. Pengukuran dengan mode dioda di antara kaki transistor sangat akurat, dan pengujian transistor biasanya bersifat baik atau tidak baik. Untuk NPN yang baik, basis ke emitor dan basis ke kolektor membaca 0,5 sampai 0,7 V dengan probe merah di basis, arah sebaliknya OL, dan kolektor ke emitor OL di kedua arah. Untuk PNP, polaritas probe dibalik. Kaki kolektor dan emitor juga dapat ditentukan dari polaritas probe.

Di papan, komponen paralel ikut terbaca. Kaki basis dianjurkan dilepas untuk pengujian transistor yang akurat, dan pemeriksaan transistor yang bocor harus selalu dilakukan di luar rangkaian.

MOSFET diuji dengan cara lain karena gate-nya terisolasi. Langkah awal menguji MOSFET adalah probe hitam di drain dan probe merah di gate. Urutan yang umum untuk kanal N: gate dikosongkan dengan menyentuhkan gate ke source, drain ke source membaca OL ke satu arah dan tegangan dioda badan ke arah lain; gate lalu diisi sesaat dengan probe merah, dan drain ke source kini membaca rendah; setelah gate dikosongkan lagi, bacaan kembali OL. MOSFET yang membaca rendah di drain ke source tanpa pengisian gate adalah hubung singkat.

Saat bekerja, transistor dan MOSFET diukur di kakinya: tegangan kolektor ke emitor atau drain ke source yang lebih dari beberapa ratus milivolt saat keluaran seharusnya menyala berarti transistor tidak jenuh, arus kendali kurang, atau beban terlalu besar.

Memilih komponen pengganti

Penggantian transistor dengan jenis lain cukup umum, terutama pada peralatan berbiaya rendah. Pengganti dibandingkan pada semua rating, bukan hanya kaki dan jenisnya:

1. Tegangan: tegangan kolektor ke emitor atau drain ke source maksimum di atas tegangan catu dan lonjakan.
2. Arus: arus kolektor atau drain maksimum dengan cadangan.
3. Penguatan pada arus kerja: $\beta$ minimum pada arus beban, atau tegangan gate untuk resistansi hidup yang dibutuhkan.
4. Daya dan kemasan: kemasan yang sama atau lebih besar, dengan pendingin yang sama.
5. Urutan kaki: urutan kolektor, basis, dan emitor tidak seragam antarjenis walaupun kemasannya sama; urutan diperiksa di lembar data, bukan ditebak dari bentuk.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: resistor basis penggerak relai. Koil relai 24 V dengan resistansi 360 Ω menarik $24/360 = 66{,}7$ mA. Dengan $\beta_{\text{min}} = 100$ dan faktor kelebihan 3, arus basis $3 \times 0{,}667 = 2{,}0$ mA. Dari keluaran 5 V: $R_B = (5 - 0{,}7)/0{,}002 = 2.150$ Ω, dipilih 2,2 kΩ. Daya transistor yang jenuh $0{,}2 \times 0{,}0667 = 13$ mW.

Contoh 2: kasus pembuka. Resistor basis 4,7 kΩ memberi $I_B = 4{,}3/4.700 = 0{,}915$ mA. Rancangan asli memakai transistor dengan $\beta_{\text{min}} = 150$, sehingga $\beta I_B = 137$ mA, dua kali kebutuhan, dan transistor jenuh. Transistor pengganti dengan $\beta = 52$ pada arus itu dalam keadaan dingin hanya mengalirkan $52 \times 0{,}915 = 47{,}6$ mA. Koil mendapat $0{,}0476 \times 360 = 17{,}1$ V, di bawah tegangan tarik relai 18 V (75 persen tegangan nominal), dan transistor menanggung $(24 - 17{,}1) \times 0{,}0476 = 0{,}33$ W. Ketika panel hangat dan $\beta$ naik sekitar 15 persen menjadi 60, arusnya $60 \times 0{,}915 = 54{,}9$ mA dan koil mendapat 19,8 V, sehingga relai menarik, tetapi transistor tetap tidak jenuh dan menanggung $(24 - 19{,}8) \times 0{,}0549 = 0{,}23$ W.

Contoh 3: MOSFET dan tegangan gate. Kipas 24 V, 2 A digerakkan MOSFET kanal N. MOSFET standar dengan $R_{DS(\text{on})} = 0{,}05$ Ω pada gate 10 V menanggung $2^2 \times 0{,}05 = 0{,}2$ W. Bila gate hanya diberi 3,3 V dari mikrokontroler dan resistansinya menjadi sekitar 1 Ω, panasnya $2^2 \times 1 = 4$ W. MOSFET level logika dengan 0,08 Ω pada 2,5 V menanggung $2^2 \times 0{,}08 = 0{,}32$ W.

Contoh 4: triac pemanas. Pemanas 1.000 W pada 230 V menarik $1.000/230 = 4{,}35$ A. Dengan tegangan jatuh triac 1,2 V, panasnya $1{,}2 \times 4{,}35 = 5{,}2$ W. Untuk suhu sambungan paling tinggi 125 °C, udara 45 °C, $R_{\theta jc} = 2$ K/W, dan $R_{\theta cs} = 0{,}5$ K/W, pendinginnya paling banyak $(125 - 45)/5{,}2 - 2{,}5 = 12{,}9$ K/W.

Contoh 5: tegangan "hantu" di keluaran triac. Peredam RC 47 nF di triac yang mati mempunyai reaktansi $1/(2\pi \times 50 \times 47 \times 10^{-9}) = 67{,}7$ kΩ. Multimeter berimpedansi 10 MΩ di keluaran tanpa beban membaca hampir seluruh 230 V, karena 67,7 kΩ jauh lebih kecil dari 10 MΩ. Dengan pemanas 52,9 Ω tersambung, tegangan di pemanas hanya sekitar $230 \times 52{,}9/67.700 = 0{,}18$ V. Bacaan 230 V tanpa beban tidak membuktikan triac hubung singkat; pengukuran diulang dengan mode impedansi rendah atau dengan beban, seperti di Bab 15 tentang multimeter digital.

Contoh 6: membaca uji transistor. Pada transistor NPN, basis ke emitor membaca 0,66 V, basis ke kolektor 0,64 V, kedua arah balik OL, tetapi kolektor ke emitor membaca 0,02 V di kedua arah. Transistor itu hubung singkat kolektor ke emitor walaupun kedua sambungan dioda tampak baik, sehingga pengukuran kolektor ke emitor selalu disertakan.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Triac, SSR, atau penggerak yang diperiksa bertegangan jala-jala dan harus diukur saat bertegangan tanpa alat ukur berkategori sesuai, seperti di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur.
2. SSR atau triac pemanas ditemukan hubung singkat dan pembatas suhu independen tidak ada atau tidak memutus lewat kontaktor, seperti di Bab 58 tentang kendali pemanas.
3. Keluaran SSR atau triac akan dianggap sebagai pemisah untuk bekerja pada beban, seperti di Bab 31 tentang isolasi dan penyakelaran.
4. Transistor pengganti dengan rating setara tidak tersedia dan pemilik meminta pengganti "yang kakinya sama" dipasang.
5. Penggerak berada di rangkaian fungsi keselamatan mesin, misalnya kunci pintu, pemutus pemanas, atau katup gas, sehingga papan diganti dengan suku cadang asli.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 26 · Fisika menjelaskan fisika semikonduktor dan optokopler, Bab 83 komponen pasif, Bab 84 dioda dan dioda bebas, Bab 2 · Komputasional keluaran papan kendali, Bab 11 peredam koil, Bab 46 SSR, Bab 58 pemanas ber-SSR, Bab 31 pemisahan, Bab 59 keluaran sensor PNP dan NPN, Bab 63 keluaran PLC, Bab 15 multimeter, Bab 14 dan Bab 76 keselamatan, dan Bab 15 · Laundry mesin pengering.

Latihan dan pembahasan