MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) dapat menggantikan relay pada beberapa kondisi tertentu, namun tidak semua rangkaian relay dapat digantikan dengan MOSFET.
Relay [sumber]Relay pada prinsipnya adalah sakelar yang dikendalikan dengan arus. Transistor MOSFET adalah transistor yang dapat dioperasikan sebagai penguat, dan juga dapat dioperasikan sebagai sakelar.
Berikut ini contoh relay yang dikendalikan melalui sebuah transistor NPN. Terminal OUT dapat berasal dari rangkaian digital seperti mikrokontroler ataupun Arduino. Transistor NPN diperlukan karena arus dari rangkaian digital biasanya tidak cukup kuat untuk dapat langsung menggerakkan relay.
Resistansi ON ada, kurang dari 1 ohm. Misal untuk IRF520, Rds-on adalah 0.27 ohm
Resistansi ketika ON praktis tidak ada (0 ohm)
Ada arus bocor beberapa mikro ampere ketika OFF
Praktis tidak ada arus bocor ketika OFF
Ketika OFF, arus terblokir hanya untuk 1 arah saja, sedangkan jika arus dibalik, maka umumnya dapat lewat.
Ketika OFF, arus terblokir untuk dua arah. Jadi relay dapat dipakai untuk arus bolak-balik
Rangkaian pengendali dan rangkaian yang dikendalikan tidak terisolasi secara galvanis. Dalam contoh rangkaian di atas, rangkaian pengendali dan yang dikendalikan mempunyai ground (GND) yang sama.
Rangkaian pengendali dan rangkaian yang dikendalikan terisolasi secara galvanis.
Tegangan Drain-Source hanya dapat bertahan sampai suatu batas tertentu.
Relatif tahan terhadap lonjakan tegangan (spike)
Ukuran kecil
Ukuran besar
Umur siklus panjang
Umur siklus pendek, endurance 50 juta sampai 100 juta siklus.
Switching time (perubahan ON ke OFF dan sebaliknya) cepat.
Switching time (perubahan ON ke OFF dan sebaliknya) lambat, dalam orde 20 ms
Berikut ini contoh rangkaian penguat output digital suatu mikrokontroler dengan menggunakan MOSFET kanal N.
Arus keluaran dari mikrokontroler sangat terbatas. Pada ATMega328 misalnya, 1 pin hanya dapat memberikan maksimal 40 mA kalau hanya 1 pin yang aktif. Jika semua pin output aktif, maka arus maksimal setiap pin sekitar 8 mA.
Output Digital Mikrokontroler Dengan MOSFET
Cara Kerja Rangkaian
IRF520 adalah transistor jenis MOSFET kanal N, memerlukan tegangan gate (Vgs) sekitar 2 sampai 4 volt agar transistor ini aktif sebagai sakelar (ON). Tegangan gate ini diperoleh dari mikrokontroler, yang disambungkan ke terminal OUT pada gambar di atas.
Pada rangkaian minimalis, resistor 10 ohm di atas dapat diganti dengan kabel, dan transistor 22k ohm dapat dihilangkan. Namun pada rangkaian di atas ditambahkan resistor 10 ohm yang berfungsi sebagai ‘gate resistor’, yaitu untuk membatasi arus transien yang mengalir ke gate ketika pin OUT berubah dari 0 volt menjadi 5 volt. Arus transien ini tidak merusak transistor maupun mikrokontroler, namun dapat menjadi osilasi dan membangkitkan radiasi yang mengganggu komponen lainnya. Resistor 22k fungsinya untuk menjaga gate transistor dalam keadaan ‘LOW’ kalau terminal OUT dalam keadaan floating/mengambang. Kondisi floating ini terjadi umumnya ketika mikrokontroler baru direset, karena pada waktu mikrokontroler baru direset, biasanya semua pin dikonfigurasikan sebagai input, bukan sebagai output.
Transistor IRF520 mempunyai kemampuan arus drain (D) maksimal sebesar 9.2 ampere pada temperatur 25 derajat Celcius, dan 6.5 ampere pada temperatur 100 derajat Celcius.
Mikrokontroler seperti Arduino sering perlu disambungkan ke berbagai perangkat digital, untuk itu diperlukan kemampuan output dari mikrokontroler yang perlu disesuaikan dengan sifat perangkat yang dituju. Berikut ini beberapa kemungkinan permasalahan output yang dijumpai:
Tegangan kecil, arus kecil (langsung)
Tegangan kecil, arus besar (perlu penguat arus BJT/MOSFET)
Tegangan besar (perlu pengubah tegangan BJT/MOSFET, Relay)
Beban Induktif (kumparan,motor)
Galvanic Isolation (dengan optocoupler)
H-Bridge untuk motor 2 arah
Pulse Width Modulation untuk mengatur pemberian energi
Serial to Paralel untuk menambah port I/O
Tegangan Kecil Arus Kecil
Tegangan kecil di sini maksudnya adalah tegangan perangkat output sama atau kurang dari tegangan output mikrokontroler.
Arus kecil di sini maksudnya adalah arus yang diperlukan perangkat output sama atau kurang dari kemampuan arus output mikrokontroler.
Pada kasus ini output dari mikrokontroler cocok dari sisi arus maupun tegangan, sehingga output mikrokontroler dapat langsung dihubungkan ke beban / perangkat output.
Misal, output yang diinginkan adalah menyalakan sebuah LED. LED mempunyai tegangan maju sekitar 2 volt, dengan arus 25 mA jika ingin cukup terang. Port pada ATMega328 dapat memberikan arus maksimal 40 mA, dengan tegangan output 5 volt, maka dalam hal ini, LED dapat langsung dihubungkan ke output ATMega328 tanpa perlu penguatan, cukup dengan resistor sebagai pembatas arus.
LED output
Tegangan Kecil Arus Besar
Tegangan kecil di sini maksudnya adalah tegangan perangkat output sama atau kurang dari tegangan output mikrokontroler.
Arus besar di sini maksudnya adalah arus yang diperlukan perangkat output lebih dari kemampuan arus output mikrokontroler.
Contoh kasus:
lampu LED perlu 25 mA, sedangkan output mikrokontroler hanya sanggup 8 mA karena pin output lain juga aktif
LED 7 segmen , setiap segmen 25 mA, jadi perlu total 25 mA x 8 = 200 mA untuk arus di pin common anoda/katoda.
Dalam hal ini maka diperlukan penguatan arus, yang antara lain dapat dilakukan dengan komponen berikut:
Transistor BJT NPN (misal BC548)
Transistor BJT PNP (misal BC557)
Transistor MOSFET kanal N (misal IRF520)
Transistor MOSFET kanal P
Transistor Darlington terintegrasi, seperti IC ULN2803
Secara teoritis, penguatan ini dapat juga dilakukan menggunakan penguat / amplifier analog ataupun op-amp, namun hal ini tidak praktis karena penguat analog umumnya menggunakan transistor dalam kondisi aktif sehingga penggunaan arus lebih besar. Penguat digital hanya menggunakan 2 keadaan transistor ON dan OFF, sehingga disipasi daya pada transistor lebih kecil.
Contoh rangkaian penguat arus dengan transistor NPN sebagai berikut:
Tegangan besar di sini maksudnya adalah tegangan yang diinginkan lebih tinggi dari tegangan output mikrokontroler. Misal output mikrokontroler adalah TTL 5 volt, sedangkan output diinginkan level CMOS, misal 9 volt. Maka dapat dipakai rangkaian berikut ini:
Konverter TTL 5 volt ke level CMOS
Pada contoh berikut ini , ada 5 buah LED seri yang ingin dinyalakan. 1 LED memerlukan tegangan 2 volt, sehingga total perlu 10 volt. Untuk itu diperlukan transistor NPN sebagai sakelarnya.
Bidirectional level converter3.3V 5V Bi Directional Level Converter
Beban Induktif
Beban induktif perlu dioda pengaman, karena ketika output dimatikan maka arus pada dioda masih ingin tetap mengalir.
Jika arus apda beban induktif melebihi kemampuan output port mikrokontroler maka arus perlu diperkuat dengan transistor BJT ataupun MOSFET.
Penguat output untuk beban induktif
Jika perlu banyak mengendalikan beban induktif, maka alternatif yang baik adalah IC ULN3803. ULN2803 di dalamnya sudah memiliki penguat arus dengan transistor dan dioda pengaman, sehingga cocok untuk beban induktif. Kemampuan arus setiap kanalnya adalah 500 mA.
ULN2803 diagram
Galvanic Isolation
Pada galvanic isolation, antara mikrokontroler dengan komponen yang dikendalikan tidak terdapat hubungan secara elektrik. Jalur ground dan sinyal betul-betul terpisah. Untuk mencapai galvanic isolation dapat menggunakan kopling magnetik ataupun optocoupler. Untuk aplikasi Arduino yang sederhana, yang praktis adalah menggunakan optocoupler jika dekat, dan menggunakan fiber optik jika jaraknya agak jauh.
Galvanic isolation
H-Bridge
H-Bridge diperlukan untuk beban yang memerlukan polaritas yang dapat diubah.
Penambahan port input output pada Arduino dapat dilakukan dengan menggunakan komponen antar muka serial ke paralel. Komponen yang sering dipakai di antaranya adalah “74HC164 8-Bit Parallel-Out Serial Shift Register” dan “PCF8574 Remote8-Bit I/O Expander for I2C Bus“.
Diagram logika 74HC164 shift register
Prinsip kerja 74HC164 adalah sebagai sebuah shift register 8 bit. Data serial dimasukkan pada pin A dan B. Setiap ada pulsa clock pada pin CLK, maka data 1 bit dimasukkan ke shift register. Data pada shift register ditampilkan pada pin Qa sampai dengan Qh. Jadi setiap 74HC164 dapat menambah 8 port output. Jika diinginkan lebih dari 8 port output, maka 74HC164 berikutnya dapat ditambahkan secara cascade. 74HC164 ini hanya dapat berfungsi sebagai output digital.
Alternatif lainnya adalah menggunakan IC 74HC595. Prinsip kerjanya serupa, namun kelebihan 74HC595 adalah terdapat tambahan register output selain shift register, sehingga perubahan output dapat dilakukan secara serentak. 74HC595 juga memiliki three-state buffer di bagian outputnya sehingga lebih fleksibel.
Blok diagram 74HC595
PCF8574 adalah periferal I2C yang memiliki 8 buah port input output digital. PCF8574 dapat disambungkan dengan protokol I2C ke mikroprosesor. Jika memerlukan lebih dari 8 port digital, maka dapat ditambahkan PCF8574 berikutnya. Setiap PCF8574 mesti memiliki alamat yang berbeda. Alamat dapat diatur dengan pin A0,A1 dan A2, sehingga dari kombinasi 3 pin ini kita dapat menghubungkan 8 buah PCF8574 ke sebuah mikroprosesor, total menjadi 8×8 = 64 port digital sebagai input ataupun output.
