Rangkaian Antarmuka (Interface) Output
Seperti yang kita lihat dalam tutorial Antarmuka Input sebelumnya, rangkaian antarmuka memungkinkan satu jenis rangkaian dihubungkan ke jenis rangkaian lain yang mungkin memiliki tegangan atau peringkat arus yang berbeda.
Tetapi selain menghubungkan perangkat input seperti sakelar dan sensor, kami juga dapat menghubungkan perangkat output seperti relai, solenoida magnetis, dan lampu. Kemudian menghubungkan perangkat output ke rangkaian elektronik umumnya dikenal sebagai: Antarmuka atau Interface Output.
Interface Output dari rangkaian elektronik dan microcontroler memungkinkan mereka untuk mengontrol sesuatu misalnya dengan membuat benda bergerak seperti, motor atau lengan robot, dll. Tetapi rangkaian antarmuka output juga dapat digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan barang, seperti indikator atau lampu. Kemudian rangkaian antarmuka output dapat memiliki output digital atau sinyal output analog.
Output logika digital adalah jenis yang paling umum dari sinyal penghubung output dan paling mudah dikendalikan. Antarmuka output digital mengubah sinyal dari port output pengontrol mikro atau rangkaian digital menjadi output kontak ON/OFF menggunakan relai menggunakan perangkat lunak pengontrol.
Rangkaian penghubung output analog menggunakan penguat (amplifier) untuk menghasilkan tegangan atau sinyal arus yang bervariasi untuk kecepatan atau output jenis kontrol posisi. Peralihan output pulsa adalah jenis lain dari kendali output yang memvariasikan siklus kerja dari sinyal output untuk peredupan lampu atau kendali kecepatan motor DC.
Sementara rangkaian Interface Input dirancang untuk menerima tingkat tegangan yang berbeda dari berbagai jenis sensor, rangkaian antarmuka output diperlukan untuk menghasilkan kemampuan arus beroperasi yang lebih besar dan/atau tingkat tegangan.
Level tegangan sinyal output dapat ditingkatkan dengan menyediakan konfigurasi output open-collector (atau open-drain). Itu adalah terminal kolektor transistor (atau terminal drain MOSFET) yang biasanya terhubung ke beban.
Tahap-tahap output dari hampir semua mikrokontroler, rangkaian-rangkaian logika PIC atau digital dapat menenggelamkan (sink) atau sumber (source) sejumlah arus output yang berguna untuk beralih dan mengendalikan sejumlah besar perangkat penghubung output untuk mengendalikan sesuatu.
Ketika kita berbicara tentang sink dan sumber arus, antarmuka output dapat "memberikan" (sumber) arus switching atau "menyerap" (sink) perubahan arus. Yang berarti tergantung pada bagaimana beban terhubung ke antarmuka output, output TINGGI atau RENDAH akan mengaktifkannya.
Mungkin yang paling sederhana dari semua perangkat penghubung output adalah yang digunakan untuk menghasilkan cahaya baik sebagai indikator ON/OFF tunggal atau sebagai bagian dari tampilan multi-segmen atau grafik batang. Tetapi tidak seperti bola lampu normal yang dapat dihubungkan langsung ke output dari suatu rangkaian, dioda LED memerlukan resistor seri untuk membatasi arus maju mereka.
LED biasanya digerakkan oleh tegangan rendah, supply arus rendah, menjadikannya komponen yang sangat menarik untuk digunakan di rangkaian digital. Selain itu, sebagai perangkat solid state, mereka dapat memiliki harapan hidup operasional lebih dari 100.000 jam operasi menjadikannya komponen yang sangat cocok dan bagus.
Kami melihat dalam Tutorial LED atau Light Emitting Diode bahwa LED adalah perangkat semikonduktor searah yang, ketika forward bias, yaitu ketika katoda (K) cukup negatif sehubungan dengan anoda (A), dapat menghasilkan berbagai macam output berwarna cahaya dan kecerahan.
Tergantung pada bahan semikonduktor yang digunakan untuk membangun pn-junction LED, akan menentukan warna cahaya yang dipancarkan, dan tegangan maju nyala. Warna LED yang paling umum adalah lampu merah, hijau, amber atau kuning.
Tidak seperti dioda sinyal konvensional yang memiliki penurunan tegangan maju sekitar 0.7 volt untuk Silikon atau sekitar 0.3 volt untuk Germanium, dioda pemancar cahaya memiliki penurunan tegangan maju yang lebih besar daripada dioda sinyal umum. Tetapi ketika forward bias menghasilkan cahaya tampak.
Tipikal LED ketika diterangi dapat memiliki penurunan tegangan maju konstan, VLED sekitar 1,2 hingga 1,6 volt dan intensitas bercahaya bervariasi secara langsung dengan arus LED ke depan. Tetapi karena LED secara efektif merupakan sebuah "Dioda" (simbol seperti panahnya menyerupai sebuah dioda tetapi dengan panah kecil di sebelah simbol LED untuk menunjukkan bahwa ia memancarkan cahaya), ia memerlukan resistor pembatas arus untuk mencegah korsleting supply ketika forward bias.
LED dapat digerakkan langsung dari sebagian besar port antarmuka output karena LED standar dapat beroperasi dengan arus maju antara 5mA dan 25mA. LED berwarna yang khas membutuhkan arus maju sekitar 10 mA untuk memberikan tampilan yang cukup cerah.
Jadi jika kita berasumsi bahwa LED merah tunggal memiliki drop tegangan maju ketika diterangi 1,6 volt, dan akan dioperasikan oleh port output dari mikrokontroler 5 volt yang me-supply 10mA. Kemudian nilai resistor seri pembatas arus, RS yang diperlukan dihitung sebagai:
Namun, dalam seri E24 (5%) nilai-nilai resistor pilihan, tidak ada resistor 340Ω sehingga nilai pilihan terdekat yang dipilih adalah 330Ω atau 360Ω. Pada kenyataannya tergantung pada tegangan supply ( VS ) dan arus maju yang diperlukan ( IF ), setiap nilai resistor seri antara 150Ω dan 750Ω akan bekerja dengan baik.
Perhatikan juga bahwa sebagai rangkaian seri, tidak masalah jalan mana di sekitar resistor dan LED yang terhubung. Namun, karena searah LED harus terhubung dengan cara yang benar. Jika Anda menghubungkan LED dengan cara yang salah, itu tidak akan rusak, itu hanya tidak akan menyala.
Selain menggunakan LED tunggal (atau lampu) untuk rangkaian penghubung output, kami juga dapat menghubungkan dua atau lebih LED bersamaan dan memberi daya dari tegangan output yang sama untuk digunakan dalam rangkaian dan display optoelektronik.
Menghubungkan bersama dua atau lebih LED secara seri tidak berbeda dengan menggunakan LED tunggal seperti yang kita lihat di atas, tetapi kali ini kita perlu memperhitungkan penurunan tegangan maju ekstra, VLED dari LED tambahan dalam kombinasi seri.
Sebagai contoh, dalam contoh antarmuka sederhana output LED kami di atas, kami mengatakan bahwa penurunan tegangan maju LED adalah 1,6 volt. Jika kita menggunakan tiga LED secara seri, maka tegangan total yang jatuh pada ketiganya adalah 4,8 (3 x 1,6) volt. Maka supply 5 volt kami bisa saja digunakan tetapi akan lebih baik untuk menggunakan supply 6 volt atau 9 volt yang lebih tinggi daripada untuk menyalakan tiga LED.
Tetapi selain menghubungkan perangkat input seperti sakelar dan sensor, kami juga dapat menghubungkan perangkat output seperti relai, solenoida magnetis, dan lampu. Kemudian menghubungkan perangkat output ke rangkaian elektronik umumnya dikenal sebagai: Antarmuka atau Interface Output.
Interface Output dari rangkaian elektronik dan microcontroler memungkinkan mereka untuk mengontrol sesuatu misalnya dengan membuat benda bergerak seperti, motor atau lengan robot, dll. Tetapi rangkaian antarmuka output juga dapat digunakan untuk mengaktifkan atau menonaktifkan barang, seperti indikator atau lampu. Kemudian rangkaian antarmuka output dapat memiliki output digital atau sinyal output analog.
Output logika digital adalah jenis yang paling umum dari sinyal penghubung output dan paling mudah dikendalikan. Antarmuka output digital mengubah sinyal dari port output pengontrol mikro atau rangkaian digital menjadi output kontak ON/OFF menggunakan relai menggunakan perangkat lunak pengontrol.
Rangkaian penghubung output analog menggunakan penguat (amplifier) untuk menghasilkan tegangan atau sinyal arus yang bervariasi untuk kecepatan atau output jenis kontrol posisi. Peralihan output pulsa adalah jenis lain dari kendali output yang memvariasikan siklus kerja dari sinyal output untuk peredupan lampu atau kendali kecepatan motor DC.
Sementara rangkaian Interface Input dirancang untuk menerima tingkat tegangan yang berbeda dari berbagai jenis sensor, rangkaian antarmuka output diperlukan untuk menghasilkan kemampuan arus beroperasi yang lebih besar dan/atau tingkat tegangan.
Level tegangan sinyal output dapat ditingkatkan dengan menyediakan konfigurasi output open-collector (atau open-drain). Itu adalah terminal kolektor transistor (atau terminal drain MOSFET) yang biasanya terhubung ke beban.
Tahap-tahap output dari hampir semua mikrokontroler, rangkaian-rangkaian logika PIC atau digital dapat menenggelamkan (sink) atau sumber (source) sejumlah arus output yang berguna untuk beralih dan mengendalikan sejumlah besar perangkat penghubung output untuk mengendalikan sesuatu.
Ketika kita berbicara tentang sink dan sumber arus, antarmuka output dapat "memberikan" (sumber) arus switching atau "menyerap" (sink) perubahan arus. Yang berarti tergantung pada bagaimana beban terhubung ke antarmuka output, output TINGGI atau RENDAH akan mengaktifkannya.
Mungkin yang paling sederhana dari semua perangkat penghubung output adalah yang digunakan untuk menghasilkan cahaya baik sebagai indikator ON/OFF tunggal atau sebagai bagian dari tampilan multi-segmen atau grafik batang. Tetapi tidak seperti bola lampu normal yang dapat dihubungkan langsung ke output dari suatu rangkaian, dioda LED memerlukan resistor seri untuk membatasi arus maju mereka.
Rangkaian Antarmuka Output
Dioda pemancar cahaya, atau LED adalah pilihan daya rendah yang sangat baik sebagai perangkat output untuk banyak rangkaian elektronik karena dapat digunakan untuk mengganti bohlam lampu berfilamen tinggi dan suhu tinggi sebagai indikator status.LED biasanya digerakkan oleh tegangan rendah, supply arus rendah, menjadikannya komponen yang sangat menarik untuk digunakan di rangkaian digital. Selain itu, sebagai perangkat solid state, mereka dapat memiliki harapan hidup operasional lebih dari 100.000 jam operasi menjadikannya komponen yang sangat cocok dan bagus.
Rangkaian Antarmuka LED Tunggal
Tergantung pada bahan semikonduktor yang digunakan untuk membangun pn-junction LED, akan menentukan warna cahaya yang dipancarkan, dan tegangan maju nyala. Warna LED yang paling umum adalah lampu merah, hijau, amber atau kuning.
Tidak seperti dioda sinyal konvensional yang memiliki penurunan tegangan maju sekitar 0.7 volt untuk Silikon atau sekitar 0.3 volt untuk Germanium, dioda pemancar cahaya memiliki penurunan tegangan maju yang lebih besar daripada dioda sinyal umum. Tetapi ketika forward bias menghasilkan cahaya tampak.
Tipikal LED ketika diterangi dapat memiliki penurunan tegangan maju konstan, VLED sekitar 1,2 hingga 1,6 volt dan intensitas bercahaya bervariasi secara langsung dengan arus LED ke depan. Tetapi karena LED secara efektif merupakan sebuah "Dioda" (simbol seperti panahnya menyerupai sebuah dioda tetapi dengan panah kecil di sebelah simbol LED untuk menunjukkan bahwa ia memancarkan cahaya), ia memerlukan resistor pembatas arus untuk mencegah korsleting supply ketika forward bias.
LED dapat digerakkan langsung dari sebagian besar port antarmuka output karena LED standar dapat beroperasi dengan arus maju antara 5mA dan 25mA. LED berwarna yang khas membutuhkan arus maju sekitar 10 mA untuk memberikan tampilan yang cukup cerah.
Jadi jika kita berasumsi bahwa LED merah tunggal memiliki drop tegangan maju ketika diterangi 1,6 volt, dan akan dioperasikan oleh port output dari mikrokontroler 5 volt yang me-supply 10mA. Kemudian nilai resistor seri pembatas arus, RS yang diperlukan dihitung sebagai:
Namun, dalam seri E24 (5%) nilai-nilai resistor pilihan, tidak ada resistor 340Ω sehingga nilai pilihan terdekat yang dipilih adalah 330Ω atau 360Ω. Pada kenyataannya tergantung pada tegangan supply ( VS ) dan arus maju yang diperlukan ( IF ), setiap nilai resistor seri antara 150Ω dan 750Ω akan bekerja dengan baik.
Perhatikan juga bahwa sebagai rangkaian seri, tidak masalah jalan mana di sekitar resistor dan LED yang terhubung. Namun, karena searah LED harus terhubung dengan cara yang benar. Jika Anda menghubungkan LED dengan cara yang salah, itu tidak akan rusak, itu hanya tidak akan menyala.
Rangkaian Antarmuka Multi LED
Menghubungkan bersama dua atau lebih LED secara seri tidak berbeda dengan menggunakan LED tunggal seperti yang kita lihat di atas, tetapi kali ini kita perlu memperhitungkan penurunan tegangan maju ekstra, VLED dari LED tambahan dalam kombinasi seri.
Sebagai contoh, dalam contoh antarmuka sederhana output LED kami di atas, kami mengatakan bahwa penurunan tegangan maju LED adalah 1,6 volt. Jika kita menggunakan tiga LED secara seri, maka tegangan total yang jatuh pada ketiganya adalah 4,8 (3 x 1,6) volt. Maka supply 5 volt kami bisa saja digunakan tetapi akan lebih baik untuk menggunakan supply 6 volt atau 9 volt yang lebih tinggi daripada untuk menyalakan tiga LED.
Dengan asumsi supply 9,0 volt pada 10mA (seperti sebelumnya), nilai Resistor Seri membatasi arus, RS diperlukan dihitung sebagai: RS = (9-4,8)/10mA = 420Ω. Sekali lagi dalam seri E24 (5%) dari nilai-nilai resistor pilihan, tidak ada resistor 420Ω sehingga nilai preferensi terdekat yang dipilih adalah 430Ω.
Menjadi tegangan rendah, perangkat arus rendah, LED ideal sebagai indikator status yang dapat didorong langsung dari port output mikro-controller dan gerbang atau sistem logika digital. Port pengontrol mikro dan gerbang logika TTL memiliki kemampuan untuk sink atau source arus dan oleh karena itu dapat menyalakan LED dengan grounded katoda (jika anoda diikat ke +5v) atau dengan menerapkan +5v ke anoda (jika katoda grounded) melalui resistor seri yang sesuai seperti yang ditunjukkan.
Digital Output Antarmuka LED
Rangkaian penghubung output di atas berfungsi dengan baik untuk satu atau lebih seri LED, atau untuk perangkat lain yang persyaratan arus kurang dari 25 mA (arus maju LED maksimum).
Tetapi apa yang terjadi jika arus drive output tidak cukup untuk mengoperasikan LED atau kita ingin mengoperasikan atau mengalihkan beban dengan tegangan atau peringkat arus yang lebih tinggi seperti lampu filamen 12v. Jawabannya adalah dengan menggunakan perangkat switching tambahan seperti Transistor, MOSFET atau Relay.
Antarmuka Output Beban Arus Tinggi
Perangkat penghubung output yang umum, seperti motor, solenoida dan lampu membutuhkan arus besar sehingga mereka paling baik dikendalikan atau digerakkan oleh pengaturan sakelar transistor seperti yang ditunjukkan. Dengan begitu beban, (lampu atau motor) tidak dapat membebani rangkaian output dari antarmuka switching atau pengontrol.
Sakelar transistor sangat umum dan sangat berguna untuk mengalihkan beban daya tinggi atau untuk antarmuka output catu daya yang berbeda. Mereka juga dapat diaktifkan "ON" dan "OFF" beberapa kali per detik jika diperlukan, seperti pada rangkaian modulasi lebar pulsa atau PWM. Tetapi ada beberapa hal yang perlu kita pertimbangkan terlebih dahulu tentang penggunaan transistor sebagai sakelar.
Arus yang mengalir ke persimpangan base-emitter digunakan untuk mengontrol arus yang lebih besar yang mengalir dari collector ke emitter. Oleh karena itu, jika tidak ada arus yang mengalir ke terminal dasar, maka tidak ada arus yang mengalir dari collector ke emitter (atau melalui beban yang terhubung ke collector), maka transistor dikatakan sepenuhnya-OFF (terputus).
Mengalihkan transistor sepenuhnya-ON (saturasi), sakelar transistor secara efektif bertindak sebagai sakelar tertutup, yaitu tegangan collector berada pada tegangan yang sama dengan tegangan emitter-nya. Tetapi sebagai perangkat solid state, bahkan ketika jenuh, akan selalu ada penurunan tegangan kecil di terminal transistor, yang disebut VCE(SAT). Tegangan ini berkisar antara 0,1 hingga 0,5 volt tergantung pada transistor.
Juga, karena transistor akan diaktifkan sepenuhnya-ON, resistansi beban akan membatasi arus collector IC transistor ke arus aktual yang dibutuhkan oleh beban (dalam kasus kami, arus melalui lampu).
Kemudian terlalu banyak arus basis dapat terlalu panas dan merusak switching transistor yang agak mengalahkan tujuan menggunakan transistor yang untuk mengendalikan arus beban yang lebih besar dengan yang lebih kecil. Oleh karena itu, resistor diperlukan untuk membatasi arus basis, IB.
Rangkaian antarmuka dasar output menggunakan transistor switching tunggal untuk mengontrol beban ditunjukkan di bawah ini. Perhatikan bahwa biasanya untuk menghubungkan dioda free-wheeling, juga dikenal sebagai dioda flywheel atau dioda penekan ggl-back seperti 1N4001 atau 1N4148 untuk melindungi transistor dari tegangan ggl-balik yang dihasilkan pada beban induktif seperti relai, motor dan solenoida, dll. ketika arusnya dimatikan oleh Transistor.
Rangkaian Sakelar Transistor Dasar
Mari kita asumsikan kita ingin mengontrol operasi lampu filamen 5 watt yang terhubung ke supply 12 volt menggunakan output gerbang logika digital TTL 5.0v melalui rangkaian sakelar transistor antarmuka penghubung output yang sesuai.
Jika gain arus DC (rasio antara collector (output) dan arus basis (input)), beta (β) dari transistor adalah 100 (Anda dapat menemukan nilai Beta atau hFE ini dari lembar data transistor yang Anda gunakan) dan tegangan saturasi VCE ketika sepenuhnya-ON adalah 0.3 volt, apa yang akan menjadi nilai resistor dasar, RB diperlukan untuk membatasi arus collector.
Arus collector transistor, nilai IC akan sama dengan arus yang mengikuti lampu filamen. Jika peringkat daya lampu adalah 5 watt, maka arus ketika sepenuhnya-ON akan:
Karena IC sama dengan arus lampu (beban), arus basis transistor akan relatif terhadap gain arus dari transistor karena IB = IC/β. Gain arus diberikan sebelumnya sebagai: β = 100, oleh karena itu arus basis minimum IB (MIN) dihitung sebagai:
Setelah menemukan nilai arus basis yang diperlukan, kita sekarang perlu menghitung nilai maksimum dari resistor basis, RB(MAX). Informasi yang diberikan menyatakan bahwa basis transistor harus dikontrol dari tegangan output 5.0V ( Vo ) dari gerbang logika digital. Jika basis-emitter forward bias tegangan 0,7 volt, nilai RB dihitung sebagai:
Kemudian ketika sinyal output dari gerbang logika adalah RENDAH (0V), tidak ada arus basis mengalir dan transistor sepenuhnya-OFF, yang tidak ada arus mengalir melalui resistor 1kΩ. Ketika sinyal output dari gerbang logika adalah TINGGI (+V), arus basis adalah 4.27mA dan menyalakan transistor yang menempatkan 11.7V melintasi lampu filamen. Basis resistor RB akan menghilang kurang dari 18mW saat berjalan 4.27mA, sehingga resistor 1/4W akan bekerja.
Perhatikan bahwa ketika menggunakan transistor sebagai sakelar dalam Antarmuka rangkaian output, aturan praktis yang baik adalah untuk memilih basis resistor, RB nilai sehingga basis drive arus IB adalah sekitar 5% atau bahkan 10% dari arus beban, IC yang dibutuhkan untuk membantu mendorong transistor dengan baik ke wilayah saturasi sehingga meminimalkan VCE dan kehilangan daya.
Juga, untuk perhitungan nilai Resistor yang lebih cepat dan untuk sedikit mengurangi matematika, Anda bisa mengabaikan penurunan tegangan 0.1 hingga 0.5 melintasi persimpangan emitor kolektor dan penurunan 0.7 volt melintasi persimpangan emitter dasar jika Anda ingin dalam perhitungan Anda. Nilai perkiraan yang dihasilkan akan cukup dekat dengan nilai yang dihitung sebenarnya.
Rangkaian switching transistor daya tunggal sangat berguna untuk mengontrol perangkat berdaya rendah, seperti lampu filamen atau untuk relai pemindah yang dapat digunakan untuk mengganti perangkat daya yang jauh lebih tinggi, misalnya, Motor dan Solenoida.
Tetapi relay adalah perangkat elektromekanis mahal dan besar yang bisa mahal atau memakan banyak ruang pada papan rangkaian ketika digunakan untuk output antarmuka microcontroller 8-port misalnya.
Salah satu cara untuk mengatasi hal ini dan mengganti perangkat arus besar langsung dari pin output dari mikrokontroler, PIC atau rangkaian digital, adalah dengan menggunakan konfigurasi pasangan darlington yang dibentuk dari dua transistor.
Salah satu kelemahan utama dari transistor daya ketika digunakan sebagai perangkat penghubung output adalah arus gain, ( β ) terutama pada saat mengganti arus tinggi, bisa terlalu rendah. Hanya 10. Untuk mengatasi masalah ini dan untuk mengurangi nilai arus basis yang diperlukan adalah menggunakan dua transistor dalam konfigurasi Darlington.
Konfigurasi Transistor Darlington
Konfigurasi transistor Darlington dapat dibuat dari dua transistor NPN atau dua transistor PNP yang terhubung bersama atau sebagai perangkat Darlington yang siap pakai seperti 2N6045 atau TIP100 yang mengintegrasikan kedua transistor dan beberapa resistor, untuk membantu mematikan dengan cepat, dalam paket tunggal TO- 220 untuk switching aplikasi.
Dalam konfigurasi darlington ini, transistor, TR1 adalah kontrol transistor dan digunakan untuk mengontrol konduksi dari transistor switching daya TR2. Sinyal input yang diterapkan pada basis transistor TR1 mengontrol arus basis transistor TR2. Pengaturan Darlington, apakah transistor individual atau sebagai paket tunggal memiliki tiga lead yang sama: Emitter ( E ), Base ( B ) dan Collector ( C ).
Konfigurasi transistor Darlington dapat memiliki kenaikan arus DC (yaitu perbandingan antara arus collector (output) dan arus basis (input)) beberapa ratus hingga beberapa ribu tergantung pada transistor yang digunakan.
Maka akan mungkin untuk mengontrol contoh lampu filamen kami di atas dengan arus basis hanya beberapa mikro-ampere, (uA) sebagai arus collector, β1 IB1 dari transistor pertama menjadi arus basis dari transistor kedua.
Maka arus gain dari TR2 adalah β1 β2 IB1 karena dua gain dikalikan bersama sebagai β T = β1 × β2. Dengan kata lain, sepasang transistor bipolar digabungkan bersama untuk membuat pasangan transistor Darlington tunggal akan memiliki arus gain dikalikan bersama.
Jadi dengan memilih transistor bipolar yang sesuai dan dengan bias yang benar, konfigurasi darlington follower emiter ganda dapat dianggap sebagai transistor tunggal dengan nilai β yang sangat tinggi dan akibatnya impedansi input tinggi ke dalam ribuan ohm.
Untungnya bagi kita, seseorang telah memasukkan beberapa konfigurasi darlington transistor ke dalam paket IC 16-pin tunggal sehingga memudahkan kita untuk menampilkan antarmuka berbagai perangkat.
Array Transistor Darlington ULN2003A
ULN2003A adalah susunan transistor darlington unipolar yang murah dengan efisiensi tinggi dan konsumsi daya yang rendah membuatnya menjadi rangkaian antarmuka penghubung output yang sangat berguna untuk mengendarai berbagai macam beban termasuk solenoida, relai display DC Motor dan LED atau lampu filamen langsung dari port pengendali mikro, rangkaian PIC atau digital.
Keluarga array darlington terdiri dari ULN2002A, ULN2003A dan ULN2004A yang semuanya bertegangan tinggi, susunan darlington arus tinggi masing-masing berisi tujuh pasang darlington kolektor terbuka dalam satu paket IC. Driver Darlington ULN2803 juga tersedia yang berisi delapan pasang darlington bukan tujuh.
Setiap saluran terisolasi dari susunan diberi nilai 500mA dan dapat menahan arus puncak hingga 600mA sehingga ideal untuk mengendalikan motor kecil atau lampu atau gerbang dan base transistor daya tinggi. Dioda suppresion tambahan disertakan untuk mengemudi beban induktif dan input disematkan berlawanan dengan output untuk menyederhanakan koneksi dan tata letak papan.
Susunan Transistor Darlington ULN2003
Driver Darlington ULN2003A memiliki impedansi input dan gain arus yang sangat tinggi yang dapat digerakkan langsung dari gerbang logika TTL atau +5V CMOS. Untuk +15V logika CMOS gunakan ULN2004A dan untuk tegangan switching yang lebih tinggi hingga 100V, lebih baik menggunakan susunan Darlington SN75468.
Jika lebih banyak kemampuan arus switching diperlukan maka baik input dan output Darlington dapat diparalelkan bersama untuk kemampuan arus yang lebih tinggi. Misalnya, pin input 1 dan 2 dihubungkan bersama dan pin output 16 dan 15 dihubungkan bersama untuk mengalihkan beban.
Rangkaian Antarmuka Daya MOSFET
Selain menggunakan transistor tunggal atau pasangan Darlington, MOSFET daya juga dapat digunakan untuk mengganti perangkat daya sedang.
Berbeda dengan transistor BJT yang membutuhkan arus basis untuk mendorong transistor ke saturasi, sakelar MOSFET hampir tidak memiliki arus karena terminal gerbang terisolasi dari saluran pembawa arus utama.
Berbeda dengan transistor BJT yang membutuhkan arus basis untuk mendorong transistor ke saturasi, sakelar MOSFET hampir tidak memiliki arus karena terminal gerbang terisolasi dari saluran pembawa arus utama.
Rangkaian Dasar Sakelar MOSFET
N-channel, enhancement-mode atau mode peningkatan (normally-off) daya MOSFET, (eMOSFET) dengan tegangan ambang positif dan impedansi input sangat tinggi, menjadikannya perangkat yang ideal untuk antarmuka langsung ke microcontroller, PIC, dan rangkaian logika digital yang mampu menghasilkan output positif seperti yang ditunjukkan.
Sakelar MOSFET dikendalikan oleh sinyal input gerbang dan karena resistansi input (gerbang) MOSFET yang sangat tinggi, kita dapat memaralelkan, hampir tanpa batas, banyak MOSFET daya bersama-sama hingga kami mencapai kemampuan penanganan daya dari beban yang terhubung.
Dalam MOSFET peningkatan jenis N-channel, perangkat cut-off (Vgs = 0) dan channel-closed bertindak seperti sakelar yang normally-open. Ketika tegangan bias positif diterapkan ke gerbang, arus mengalir melalui channel. Jumlah arus tergantung pada tegangan bias gerbang, Vgs. Dengan kata lain, untuk mengoperasikan MOSFET di daerah saturasinya, tegangan gerbang-ke-sumber harus memadai untuk mempertahankan drain yang diperlukan dan oleh karena itu arus beban.
Seperti dibahas sebelumnya, eMOSFET n-channel digerakkan oleh tegangan yang diterapkan antara gerbang dan sumber sehingga menambahkan dioda zener melintasi persimpangan gerbang-ke-sumber MOSFET seperti yang ditunjukkan, berfungsi untuk melindungi transistor dari tegangan input positif atau negatif yang berlebihan seperti mereka misalnya, dihasilkan dari output Op-amp Komparator saturasi.
Dioda Zener menjepit tegangan gerbang positif dan bertindak sebagai dioda konvensional yang mulai berjalan satu tegangan gerbang mencapai -0,7V, menjaga terminal gerbang jauh dari batas tegangan breakdown.
MOSFET dan Gerbang Open-collector
Output yang menghubungkan MOSFET daya dari TTL menimbulkan masalah ketika kita menggunakan gerbang dan driver dengan output kolektor terbuka karena gerbang logika mungkin tidak selalu memberi kita output VGS yang diperlukan. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan resistor pull-up seperti yang ditunjukkan.
Resistor pull-up terhubung antara rel supply TTL dan output gerbang logika yang terhubung ke terminal gerbang MOSFET. Ketika output gerbang logika TTL berada pada level logika "0" (RENDAH), MOSFET adalah "OFF" dan ketika output gerbang logika berada pada level logika "1" (TINGGI), resistor menarik tegangan gerbang hingga +5v rail.
Dengan pengaturan resistor pull-up ini, kita dapat sepenuhnya mengganti "ON" MOSFET dengan mengikat tegangan gerbang ke rel supply atas seperti yang ditunjukkan.
Antarmuka Output Motor
Kita telah melihat bahwa kita dapat menggunakan transistor junction bipolar atau MOSFET sebagai bagian dari rangkaian antarmuka output untuk mengontrol seluruh jajaran perangkat. Satu perangkat output yang umum adalah motor DC yang menciptakan gerakan rotasi. Ada ratusan cara motor dan Motor Stepper dapat dihubungkan ke micro-controller, PIC dan rangkaian digital menggunakan transistor tunggal, transistor darlington atau MOSFET.
Masalahnya adalah bahwa Motor adalah perangkat elektromekanis yang menggunakan medan magnet, sikat dan gulungan untuk menciptakan gerakan rotasi dan karena ini, motor, dan terutama mainan murah atau motor kipas komputer menghasilkan banyak "kebisingan listrik" dan "lonjakan tegangan" yang dapat merusak switching transistor.
Motor ini menghasilkan kebisingan listrik dan tegangan berlebih dapat dikurangi dengan menghubungkan dioda freewheel atau kapasitor penekan non-terpolarisasi di terminal motor. Tetapi satu cara sederhana untuk mencegah kebisingan listrik dan tegangan balik mempengaruhi sakelar transistor semikonduktor atau port output microcontroller adalah dengan menggunakan catu daya terpisah untuk kontrol dan motor melalui relai yang sesuai.
Diagram koneksi khas untuk output yang menghubungkan relai elektromekanis ke motor DC ditunjukkan di bawah ini.
ON/OFF Kontrol Motor DC
Transistor NPN digunakan sebagai sakelar ON-OFF untuk memberikan arus yang diinginkan ke coil relai. Dioda freewheeling diperlukan, sama seperti di atas, karena arus yang mengalir melalui coil induktif ketika de-energi tidak dapat secara instan dikurangi menjadi nol. Ketika input ke basis diatur TINGGI, transistor dinyalakan "ON". Arus mengalir melalui coil relai dan kontaknya menutup motor.
Ketika input ke basis transistor RENDAH, transistor dimatikan "OFF" dan motor berhenti ketika kontak relai sekarang terbuka. Setiap ggl-balik yang dihasilkan dengan menonaktifkan coil mengalir melalui dioda freewheeling dan perlahan meluruh ke nol mencegah kerusakan pada transistor. Juga, transistor (atau MOSFET) diisolasi dan tidak terpengaruh oleh kebisingan atau lonjakan tegangan yang dihasilkan oleh pengoperasian motor.
Kita telah melihat bahwa motor DC dapat dihidupkan dan dimatikan menggunakan sepasang kontak relai antara motor dan catu dayanya. Tetapi bagaimana jika kita ingin motor berputar di kedua arah untuk digunakan dalam robot atau bentuk lain dari proyek bermotor. Kemudian motor dapat dikontrol menggunakan dua relai seperti yang ditunjukkan.
Kontrol Motor DC yang Dapat Dibalik (reversible)
Arah rotasi motor DC dapat dibalik dengan hanya mengubah polaritas koneksi supply-nya. Dengan menggunakan dua sakelar transistor, arah putaran motor dapat dikontrol melalui dua relai masing-masing dengan kontak single-pole double-throw (SPDT) yang terhubung dengan daya dari catu daya tegangan tunggal. Dengan mengoperasikan salah satu sakelar transistor pada suatu waktu, motor dapat dibuat berputar di kedua arah (maju atau mundur).
Sementara antarmuka output motor melalui relai memungkinkan kita untuk memulai dan menghentikannya, atau untuk mengendalikan arah rotasi. Penggunaan relai mencegah kita mengendalikan kecepatan rotasi karena kontak relai akan terus membuka dan menutup.
Namun, kecepatan rotasi motor DC sebanding dengan nilai tegangan catu dayanya. Kecepatan motor DC dapat dikontrol dengan menyesuaikan nilai rata-rata tegangan supply DC-nya atau, dengan menggunakan PWM (modulasi lebar pulsa). Yaitu dengan memvariasikan rasio ruang-space dari tegangan supplynya dari hanya 5% hingga lebih dari 95%, dan banyak pengendali motor H-bridge melakukan hal itu.
Antarmuka Output Utama Menghubungkan Beban
Kita telah melihat sebelumnya bahwa relai dapat secara elektrik mengisolasi satu rangkaian dari yang lain, yaitu mereka memungkinkan satu rangkaian bertenaga lebih kecil untuk mengendalikan rangkaian bertenaga lain yang mungkin lebih besar.
Relai juga pada saat yang sama memberikan perlindungan ke rangkaian yang lebih kecil dari kebisingan listrik, lonjakan tegangan berlebih, dan transien yang dapat merusak perangkat switching semikonduktor yang halus.
Tetapi relai juga memungkinkan antarmuka output dari rangkaian dengan tegangan dan dasar yang berbeda seperti antara microcontroller 5 volt atau PIC dan catu daya tegangan utama. Tetapi selain menggunakan transistor (atau MOSFET) sakelar dan relai untuk mengontrol perangkat bertenaga listrik, seperti motor AC, lampu atau pemanas 100W, kita juga dapat mengendalikannya menggunakan opto-isolator atau optocoupler dan perangkat elektronik daya.
Keuntungan utama optocoupler adalah ia menyediakan isolasi listrik tingkat tinggi antara terminal input dan outputnya, karena secara optikal dipasangkan dan karenanya memerlukan arus input minimal (biasanya hanya 5mA) dan tegangan. Ini berarti bahwa optocoupler dapat dengan mudah dihubungkan dari port microcontroller atau rangkaian digital yang menawarkan kemampuan drive LED yang cukup pada outputnya.
Desain dasar optocoupler terdiri dari LED yang menghasilkan cahaya infrared dan perangkat foto-sensitif semikonduktor yang digunakan untuk mendeteksi pancaran sinar infrared yang dipancarkan.
Baik perangkat LED dan foto-sensitive yang dapat berupa photo transistor tunggal, photo-darlington atau photo-triac terlampir dalam bodi yang ketat atau paket dengan kaki logam untuk koneksi listrik seperti yang ditunjukkan.
Baik perangkat LED dan foto-sensitive yang dapat berupa photo transistor tunggal, photo-darlington atau photo-triac terlampir dalam bodi yang ketat atau paket dengan kaki logam untuk koneksi listrik seperti yang ditunjukkan.
Berbagai Jenis Optocoupler
Karena inputnya adalah LED, nilai resistor seri, RS yang diperlukan untuk membatasi arus LED dapat dihitung sama seperti di atas. LED dua atau lebih optocoupler juga dapat dihubungkan bersama secara seri untuk mengontrol beberapa perangkat output secara bersamaan.
Isolator tri-triac memungkinkan peralatan bertenaga AC dan lampu listrik dikontrol. Triac berpasangan opsional seperti MOC 3020, memiliki peringkat tegangan sekitar 400 volt menjadikannya ideal untuk koneksi listrik langsung dan arus maksimum sekitar 100mA. Untuk beban bertenaga lebih tinggi, opto-triac dapat digunakan untuk menyediakan pulsa gerbang ke triac lain yang lebih besar melalui resistor pembatas arus seperti yang ditunjukkan.
Solid State Relay (SSR)
Jenis konfigurasi Optocoupler ini membentuk dasar dari suatu aplikasi SSR (solid state relay) yang sangat sederhana yang dapat digunakan untuk mengontrol setiap beban daya listrik AC seperti lampu dan motor langsung dari antarmuka output dari microcontroller, PIC atau rangkaian digital.
Ringkasan Antarmuka (Interface) Output
Sistem kontrol perangkat lunak solid-state yang menggunakan microcontroller, PIC, rangkaian digital dan sistem berbasis mikroprosesor lainnya, harus dapat terhubung ke dunia nyata untuk mengendalikan motor atau untuk mengganti indikator dan lampu LED ON atau OFF, dan dalam hal ini tutorial elektronik kita telah melihat bahwa berbagai jenis rangkaian antarmuka output dapat digunakan untuk tujuan ini.
Sejauh ini rangkaian penghubung yang paling sederhana adalah dari dioda pemancar cahaya atau LED yang bertindak sebagai indikator ON/OFF yang sederhana. Tetapi dengan menggunakan transistor standar atau rangkaian penghubung MOSFET sebagai sakelar solid state kita dapat mengontrol aliran arus yang jauh lebih besar bahkan jika pin output dari pengontrol hanya dapat memasok (atau menenggelamkan) arus yang sangat kecil.
Biasanya, untuk banyak pengontrol, rangkaian antarmuka output mereka mungkin merupakan output penenggelaman (sink) arus di mana beban umumnya dihubungkan antara tegangan supply dan terminal output dari perangkat pensakelaran.
Jika misalnya, kami ingin mengontrol sejumlah perangkat output yang berbeda dalam suatu proyek atau aplikasi robot, maka akan lebih mudah untuk menggunakan IC driver Darlington ULN2003 yang terdiri dari beberapa sakelar transistor dalam satu paket. Atau jika kita ingin mengontrol aktuator AC, kita dapat menampilkan antarmuka relai atau opto-isolator (optocoupler).
Kemudian kita dapat melihat bahwa kedua rangkaian penghubung input dan output memberikan Perancang Elektronik atau fleksibilitas untuk menggunakan sistem perangkat lunak berbasis sinyal atau mikroprosesor kecil kemampuan untuk mengontrol dan berkomunikasi dengan dunia nyata melalui port input/output apakah itu proyek kecil atau aplikasi industri besar.