Aplikasi Transistor Unipolar

APLIKASI WIPER MOBIL OTOMATIS

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

4. Percobaan

1. Tujuan [Kembali]

Memenuhi tugas aplikasi elektronika C
Menjelaskan prinsip kerja rain sensor dan NJFET
Mensimulasikan rangkaian wiper mobil otomatis

2. Alat dan Bahan [Kembali]

Alat :

1. Power Supply

Power supply merupakan perangkat keras (hardware) yang dimana fungsi power supply ini adalah sebagai pengatur daya dan pengalir listrik atau tegangan yang dibutuhkan oleh perangkat hardware.

2. Baterai

Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti Handphone, Laptop, Senter, ataupun Remote Control menggunakan Baterai sebagai sumber listriknya.

Setiap Baterai terdiri dari Terminal Positif( Katoda) dan Terminal Negatif (Anoda) serta Elektrolit yang berfungsi sebagai penghantar. Output Arus Listrik dari Baterai adalah Arus Searah atau disebut juga dengan Arus DC (Direct Current). Pada umumnya, Baterai terdiri dari 2 Jenis utama yakni Baterai Primer yang hanya dapat sekali pakai (single use battery) dan Baterai Sekunder yang dapat diisi ulang (rechargeable battery).

3. Ground

Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi. Cara pemasangan grounding ini dapat menggunakan sebuah elektroda khusus untuk pembumian yang ditanam di bawah tanah.

Fungsi Grounding

Sistem grounding pada peralatan kelistrikan dan elektronika adalah untuk memberikan perlindungan pada seluruh sistem. Untuk lebih jelasnya, berikut ini adalah beberapa fungsi dari grounding:

Untuk keselamatan, grounding berfungsi sebagai penghantar arus listrik langsung ke bumi atau tanah saat terjadi kebocoran isolasi atau percikan api pada konsleting, misalnya kabel grounding yang terpasang pada badan/sasis alat elektronik seperti setrika listrik akan mencegah kita tersengat listrik saat rangkaian di dalam setrika bocor dan menempel ke badan setrika.
Dalam instalasi penangkal petir, system grounding berfungsi sebagai penghantar arus listrik yang besar langsung ke bumi. meski sifatnya sama, namun pemasangan kabel grounding untuk instalasi rumah dan grounding untuk pernangkal petir pemasangannya harus terpisah.
Sebagai proteksi peralatan elektronik atau instrumentasi sehingga dapat mencegah kerusakan akibat adanya bocor tegangan.
Grounding di dunia eletronika berfungsi untuk menetralisir cacat (noise) yang disebabkan baik oleh daya yang kurang baik, ataupun kualitas komponen yang tidak standar.
Bila kabel grounding berfungsi sebagai penghantar arus, maka alat yang mendeteksi adanya arus sisa atau arus bocor adalah ELCB. ELCB ini adalah sebagai proteksi instalasi listrik sebagai pencegah arus bocor. Untuk lebih jelasnya bisa lihat ulasannya pada ELCB Pengaman Arus Bocor.

Bahan :

1. Relay

Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen Electromechanical (Elektromekanikal) yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat Kontak Saklar/Switch). Relay menggunakan Prinsip Elektromagnetik untuk menggerakkan Kontak Saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Sebagai contoh, dengan Relay yang menggunakan Elektromagnet 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A.

Kontak Poin (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu :

Normally Close (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup)
Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka)

Berdasarkan gambar diatas, sebuah Besi (Iron Core) yang dililit oleh sebuah kumparan Coil yang berfungsi untuk mengendalikan Besi tersebut. Apabila Kumparan Coil diberikan arus listrik, maka akan timbul gaya Elektromagnet yang kemudian menarik Armature untuk berpindah dari Posisi sebelumnya (NC) ke posisi baru (NO) sehingga menjadi Saklar yang dapat menghantarkan arus listrik di posisi barunya (NO). Posisi dimana Armature tersebut berada sebelumnya (NC) akan menjadi OPEN atau tidak terhubung. Pada saat tidak dialiri arus listrik, Armature akan kembali lagi ke posisi Awal (NC). Coil yang digunakan oleh Relay untuk menarik Contact Poin ke Posisi Close pada umumnya hanya membutuhkan arus listrik yang relatif kecil.

2. Resistor

Resistor adalah komponen dasar elektronika yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena bisa berfungsi sebagai pengatur atau untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Dengan resistor, arus listrik dapat didistribusikan sesuai dengan kebutuhan. Sesuai dengan namanya resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol Ω (Omega).

Beberapa jenis resistor yang diketahui, jenis resistor yang nilai resistansinya berubah bila terkena cahaya namanya LDR (Light Dependent Resistor) dan resistor yang nilai resistansinya akan bertambah besar bila terkena suhu panas yang namanya PTC (Positive Thermal Coefficient) serta resistor yang nilai resistansinya akan bertambah kecil bila terkena suhu panas yang namanya NTC (Negative Thermal Coefficient).

3. Logicstate

Gerbang Logika (Logic Gates) adalah sebuah entitas untuk melakukan pengolahan input-input yang berupa bilangan biner (hanya terdapat 2 kode bilangan biner yaitu, angka 1 dan 0) dengan menggunakan Teori Matematika Boolean sehingga dihasilkan sebuah sinyal output yang dapat digunakan untuk proses berikutnya

"Gerbang logika atau gerbang logik adalah suatu entitas dalam elektronika dan matematika Boolean yang mengubah satu atau beberapa masukan logik menjadi sebuah sinyal keluaran logik. Gerbang logika terutama diimplementasikan secara elektronis menggunakan diode atau transistor, akan tetapi dapat pula dibangun menggunakan susunan komponen-komponen yang memanfaatkan sifat-sifat elektromagnetik (relay), cairan, optik dan bahkan mekanik."

4. Motor

Motor Listrik DC atau DC Motor adalah suatu perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi kinetik atau gerakan (motion). Motor DC ini juga dapat disebut sebagai Motor Arus Searah. Seperti namanya, DC Motor memiliki dua terminal dan memerlukan tegangan arus searah atau DC (Direct Current) untuk dapat menggerakannya. Motor Listrik DC ini biasanya digunakan pada perangkat-perangkat Elektronik dan listrik yang menggunakan sumber listrik DC seperti Vibrator Ponsel, Kipas DC dan Bor Listrik DC.

Motor Listrik DC atau DC Motor ini menghasilkan sejumlah putaran per menit atau biasanya dikenal dengan istilah RPM (Revolutions per minute) dan dapat dibuat berputar searah jarum jam maupun berlawanan arah jarum jam apabila polaritas listrik yang diberikan pada Motor DC tersebut dibalikan. Motor Listrik DC tersedia dalam berbagai ukuran rpm dan bentuk. Kebanyakan Motor Listrik DC memberikan kecepatan rotasi sekitar 3000 rpm hingga 8000 rpm dengan tegangan operasional dari 1,5V hingga 24V. Apabile tegangan yang diberikan ke Motor Listrik DC lebih rendah dari tegangan operasionalnya maka akan dapat memperlambat rotasi motor DC tersebut sedangkan tegangan yang lebih tinggi dari tegangan operasional akan membuat rotasi motor DC menjadi lebih cepat. Namun ketika tegangan yang diberikan ke Motor DC tersebut turun menjadi dibawah 50% dari tegangan operasional yang ditentukan maka Motor DC tersebut tidak dapat berputar atau terhenti. Sebaliknya, jika tegangan yang diberikan ke Motor DC tersebut lebih tinggi sekitar 30% dari tegangan operasional yang ditentukan, maka motor DC tersebut akan menjadi sangat panas dan akhirnya akan menjadi rusak.

5. MOSFET

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentrasi ketidakmurnian tertentu. Tingkat dari ketidakmurnian ini akan menentukan jenis transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET tipe-P (PMOS). Bahan silicon digunakan sebagai landasan (substrat) dari penguras (drain), sumber (source), dan gerbang (gate). Selanjutnya transistor dibuat sedemikian rupa agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silikon yang sangat tipis. Oksida ini diendapkan di atas sisi kiri dari kanal, sehingga transistor MOSFET akan mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), yaitu menghasilkan disipasi daya yang rendah.

6. Sensor hujan (Rain Sensors)

Terdapat dua jenis output dari modul sensor ini, yaitu output analog dan output digital. Modul Sensor Hujan FC-37 memiliki potensiometer bawaan yang berfungsi untuk mengatur sensitivitas dari sensor pada mode pembacaan digital.

Resistensi dari papan penampang penerima tetesan air hujan akan bervariasi karena tergantung dari air yang mengenai papan penampang. Ketika papan penampang semakin basah, maka nilai resistansi akan semakin besar sehingga nilai keluaran tegangan akan semakin kecil. Ketika papan penampang semakin kering, maka nilai resistensi akan semakin kecil sehingga nilai keluaran tegangan akan semakin besar.

7. Transistor bipolar NPN

Bipolar junction transistor (BJT) atau yang biasa dikenal dengan transistor bipolar merupakan komponen elektronika yang terdiri dari tiga lapis bahan semikonduktor, baik untuk yang bertipe PNP ataupun NPN. Pada setiap lapisan yang membentuk transistor tersebut memiliki nama-nama tersendiri (kolektor, basis, dan emitor). Dan pada tiap lapisan tersebut terdapat kontak kawat untuk koneksi ke rangkaian. Simbol skematik transistor tipe PNP dan NPN ditunjukan pada gambar dibawah ini (gambar a untuk PNP dan gambar c untuk NPN).

Transistor bipolar: (a) simbol skematik PNP, (b) phisik PNP, (c) simbol skematik NPN, (d) fisik NPN

Perbedaan fungsi antara transistor PNP dan transistor NPN terdapat pada mode bias (polaritas) dari persimpangan ketika transistor beroperasi. Untuk setiap keadaan operasi tertentu, arah arus dan polaritas tegangan untuk setiap jenis transistor yang persis akan berlawanan satu sama lain.

Transistor bipolar bekerja sebagai regulator arus yang dikontrol oleh arus. Dengan kata lain, transistor membatasi jumlah arus yang mengalir. Pada transistor bipolar arus utama yang dikendalikan mengalir dari kolektor ke emitor atau dari emitor ke kolektor tergantung dari masing-masing jenis transistor tersebut (PNP atau NPN). Arus kecil yang mengontrol arus utama mengalir dari basis ke emitor atau dari emitor ke basis, sekali lagi tergantung dari jenis masing-masing transistor tersebut (PNP atau NPN). Menurut standar simbologi semikonduktor, arah panah selalu menunjukkan arah yang berlawanan dengan arah aliran elektron. Perhatikan gambar dibawah ini.

3. Dasar Teori [Kembali]

1. Rain Sensor

Rain sensor atau sensor hujan adalah jenis sensor yang berfungsi mendeteksi terjadinya hujan atau tidak. Pada sensor ini, terdapat integrated circuit atau IC (komponen dasar yang terdiri dari resistor, transistor, dan lain-lain) komparator yang berfungsi memberikan sinyal berupa logika ‘on’ dan ‘off’. Sehingga ketika sensor mendeteksi adanya hujan, wiper mobil secara otomatis akan berfungsi tanpa harus mengaktifkan saklar manual.

Sensor hujan juga mampu mengatur kecepatan wiper saat menyeka air hujan di kaca mobil, mulai dari posisi low, intermittent, hingga high speed. Pengaturan tersebut tergantung dari curah hujan yang menerpa kaca mobil.

Komponen Sensor Hujan

Sensor hujan bermaterial dari FR-04 dengan dimensi 5 centimeter (cm) x 4 cm berlapis nikel.
Lapisan modul pada sensor mempunyai sigar oksidasi sehingga tahan terhadap korosi.
IC komputer.
Terdapat potensiometer yang berfungsi mengatur sensifitas sensor.
Dua output digital dan analog.

Kualitas Wiper

Sensor hujan juga perlu didukung dengan kualitas wiper. Kualitas penyeka air ini terbagi menjadi tiga jenis.

Wiper Konvensional

Wiper tipe ini terdiri dari braket dan karet. Namun wiper ini akan sulit ditemukan karena umumnya hanya terpasang di mobil-mobil keluaran lawas. Rangka wiper ini masih menggunakan logam.

Wiper Flat-Blade

Karet menjadi bahan dasar wiper jenis ini. Namun dalam kerangka wiper ini diselipkan besi pipih untuk memperkuat kerja wiper. Bobotnya lebih ringan dan memiliki sapuan yang cukup bersih ketika membersihkan kaca.

Pada grafik respon sensor hujan di atas diperoleh bahwa semakin minimum intensita hujan (nol) yang mengenai rain sensor maka resistansi pada sensor semakin besar (maksismum) sehingga sensor tidak aktif bekerja, namun saat rain sensor kontak langsung dengan hujan lebat dengan intensitas hujan besar, maka resistansi pada rain sensor akan semakin kecil (minimum) dan bernilai nol sehingga rain sensor dapat mengaktifkan rangkaian.

2. MOSFET (2N7000)

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu transistor dari bahan semikonduktor (silikon) dengan tingkat konsentrasi ketidakmurnian tertentu. Tingkat dari ketidakmurnian ini akan menentukan jenis transistor tersebut, yaitu transistor MOSFET tipe-N (NMOS) dan transistor MOSFET tipe-P (PMOS). Bahan silicon ini yang akan digunakan sebagai landasan (substrat) penguras (drain), sumber (source), dan gerbang (gate). Selanjutnya transistor ini dibuat sedemikian rupa agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silicon yang sangat tipis. Oksida ini diendapkan di atas sisi kiri kanal, sehingga transistor MOSFET akan mempunyai kelebihan dibanding dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), yaitu menghasilkan disipasi daya yang rendah.

N-channel MOSFET 2N700

Pada Enchancement Mode (E-MOSFET), P-Channel MOSFET akan memutus terminal Source dan Drain ketika nilai tegangan pada VGS-nya sama dengan nol.

Namun, jika ditambahkan nilai negatif pada VGS maka akan membuat terminal Source dan Drain terhubung. Jadi semakin besar tegangan negatif pada terminal Gate maka arus Drain akan meningkat.

Pada Depletion Mode (D-MOSFET), P-Channel MOSFET akan menghubungkan terminal Source dan Drain ketika nilai tegangan pada VGS-nya sama dengan nol.

Namun, jika ditambahkan nilai positif pada VGS maka akan membuat kanal tersebut terputus atau OFF.

3. Touch Sensors

Touch sensor merupakan sebuah lapisan penerima input dari luar monitor. Input dari touchscreen adalah sebuah sentuhan, maka dari itu sensornya juga merupakan sensor sentuh. Biasanya sensor sentuh berupa sebuah panel terbuat dari kaca yang permukaannya sangat responsif jika disentuh. Touch sensor ini diletakkan di permukaan paling depan dari sebuah layar touchscreen, dengan demikian area yang responsif terhadap sentuhan menutupi area pandang dari layar monitor. Maka dari itu ketika kita menyentuh permukaan layar monitornya, input juga telah diberikan oleh kita. Teknologi touch sensor yang kini banyak digunakan terdiri dari tiga macam, seperti yang telah dijelaskan di atas, yaitu Resistive touchscreen, Capasitive touchscreen, dan Surface wave touchscreen.

Pada grafik respon tocuh sensor di atas diperoleh bahwa saat sebelun sensor disentuh, pada touch sensor memiliki sinyal sentuh penuh, maka saat sensor touch disentuh, sinyal pada sensor akan menurun kekuatannya dimana saat proses penurunan sinyal touch sensor, kinerja touch sensor bekerja mengaktifkan touch sensor sehingga touch sensor menghasilkan tegangan output.

3. Relay

Relay merupakan salah satu jenis dari Saklar, maka istilah Pole dan Throw yang dipakai dalam Saklar juga berlaku pada Relay. Berikut ini adalah penjelasan singkat mengenai Istilah Pole and Throw :

Pole : Banyaknya Kontak (Contact) yang dimiliki oleh sebuah relay

Throw : Banyaknya kondisi yang dimiliki oleh sebuah Kontak (Contact)

Berdasarkan penggolongan jumlah Pole dan Throw-nya sebuah relay, maka relay dapat digolongkan menjadi :

Single Pole Single Throw (SPST) : Relay golongan ini memiliki 4 Terminal, 2 Terminal untuk Saklar dan 2 Terminalnya lagi untuk Coil.

Single Pole Double Throw (SPDT) : Relay golongan ini memiliki 5 Terminal, 3 Terminal untuk Saklar dan 2 Terminalnya lagi untuk Coil.

Double Pole Single Throw (DPST) : Relay golongan ini memiliki 6 Terminal, diantaranya 4 Terminal yang terdiri dari 2 Pasang Terminal Saklar sedangkan 2 Terminal lainnya untuk Coil. Relay DPST dapat dijadikan 2 Saklar yang dikendalikan oleh 1 Coil.

Double Pole Double Throw (DPDT) : Relay golongan ini memiliki Terminal sebanyak 8 Terminal, diantaranya 6 Terminal yang merupakan 2 pasang Relay SPDT yang dikendalikan oleh 1 (single) Coil. Sedangkan 2 Terminal lainnya untuk Coil.

Selain Golongan Relay diatas, terdapat juga Relay-relay yang Pole dan Throw-nya melebihi dari 2 (dua). Misalnya 3PDT (Triple Pole Double Throw) ataupun 4PDT (Four Pole Double Throw) dan lain sebagainya.
Untuk lebih jelas mengenai Penggolongan Relay berdasarkan Jumlah Pole dan Throw, silakan lihat gambar dibawah ini :

Fungsi-fungsi dan Aplikasi Relay
Beberapa fungsi Relay yang telah umum diaplikasikan kedalam peralatan Elektronika diantaranya adalah :

Relay digunakan untuk menjalankan Fungsi Logika (Logic Function)

Relay digunakan untuk memberikan Fungsi penundaan waktu (Time Delay Function)

Relay digunakan untuk mengendalikan Sirkuit Tegangan tinggi dengan bantuan dari Signal Tegangan rendah.

Ada juga Relay yang berfungsi untuk melindungi Motor ataupun komponen lainnya dari kelebihan Tegangan ataupun hubung singkat (Short).

4. Percobaan [Kembali]

Langkah-langkah percobaan :

Disiapkan alat-alat dan bahan yaitu, 2 sensor hujan (Rain Sensors), power supply, relay 2P, 2 relay 1P, resistor, logicstate, motor, MOSFET 2N7000, baterai, ground, transistor bipolar NPN
Posisikan 2 buah sensor hujan sesuai ke inginan, lalu pasang logicstate pada testpin sensor
Pada sensor hujan 1 (kiri), Vcc dihubungkan dengan power supply +5V, GND dihubungkan ke ground, V out dihubungkan ke kaki Gate MOSFET Q1
Pada sensor hujan 2 (kanan),Vcc dihubungkan dengan power supply +5V GND dihubungkan ke ground, V out dihubungkan ke kaki Gate MOSFET Q2
Pada masing-masing kaki Gate MOSFET Q1 & Q2 dirangkai baterai paralel dengan kutub negatif sebesar 5 volt.
Pada DC generator 12 volt kaki drain MOSFET Q1, dihubungkan ke COM relay RL 2 , lalu dari COM relay RL 2 dihubungkan ke kaki drain MOSFET. Pada kaki source MOSFET Q1 dihubungkan ke ground
Pada DC generator 12 volt kaki drain MOSFET Q2, dihubungkan ke COM relay RL 4 , lalu dari COM relay RL 4 dihubungkan ke kaki drain MOSFET. Pada kaki source MOSFET Q2 dihubungkan ke ground
Pada masing-masing COM relay RL 2 & RL 4, dihubungkan secara seri motor & baterai 12 volt
Dipasang touch sensor sesuai keinginan, lalu dipasang logicstate pada testpin touch sensor
Dihubungkan power 5 volt ke Vcc touch sensor, lalu GND dihubungkan ke ground
Pada V out touch sensor dihubungkan ke resistor lalu dari resistor dihubungkan ke kaki base transistor NPN Q3
Pada kaki kolektor NPN Q3, dihubungkan DC generator 12 volt, lalu dari Dc generator dihubungkan ke COM relay 2P, lau dhungkan ke kaki kolektor NPN Q3. Pada kaki emitor dihubungkan ke ground
Pada COM relay 2P, masing-masing COM relay dihubungkan 2 buah motor paralel, lalu di serikan dengan baterai 12 volt, pada masing-masing motor diparalelkan dengan dioda.

5. Rangkaian [Kembali]

Gambar Rangkaian Aplikasi Wiper Mobil Otomatis

6. Prinsip Kerja [Kembali]

Pada rangkaian aplikasi ini, motor penggerak sebagai penggerak wiper mobil bekerja dengan bantuan perintah sensor hujan dan touch sensor sebagai motor penggerak semprot sabun.

Pada rangkaian rain sensor, dipasang power di bagian Vcc sebesar 5 volt, lalu saat rain sensor berlogika 1, tegangan V out akan diumpankan ke kaki gate MOSFET, pada kaki gate MOSFET dihubungkan ke V out rain sensor, lalu kaki gate dihubungkan paralel dengan kutub negatif baterai untuk memberi umpan tegangan negatif pada kaki gate MOSFET. lalu pada kaki drain MOSFET diberi tegangan sumber DC sebesar 12 volt untuk mengaktifkan relay, lalu tegangan dari kaki drain diteruskan ke kaki source lalu ke ground. Saat sensor aktif terkena hujan, maka MOSFET aktif bekerja sehingga tegangan dari V drain akan mengalir menuju source mengaktifkan relay, sehingga motor pada kedua wiper mobil dapat bekerja.

Pada rangkaian touch sensor diposisikan di dalam mobil yang dirangkai motor semprotan cairan sabun. Sistem kerjanya yaitu saat hujan dan wiper mobil aktif, maka touch sensor mengumpankan tegangan V out 5 volt ke resistor, lalu dari resistor diumpankan tegangan ke kaki base transistor NPN, sehingga transistor aktif bekerja mengaliri tegangan dari kaki kolektor sebesar 12 volt lalu mengaktifkan relay dan diteruskan ke kaki emitor dan ground, sehingga saat relay kaki kolektor aktif, maka dapat mengaktifkan motor sabun cairan pembersih kaca mobil sehingga kaca mobil langsung dibersihkan oleh wiper dan dibilas oleh hujan