Konsep Dasar Disipasi Daya Pada Komponen Elektronik

Tantangan yang selalu ada dalam desain sirkuit elektronik adalah memilih komponen yang sesuai, yang tidak hanya menjalankan tugas yang diinginkan, namun juga akan bertahan dalam Operating Condition yang dapat diperkirakan.
Bagian besar dari proses itu adalah memastikan komponen akan tetap berada dalam batas operasi aman atau Safe operating limits mereka dalam hal arus, voltase, dan daya/power. Dari ketiganya, bagian "daya/power" seringkali merupakan yang paling sulit (baik untuk beginner  maupun expert) karena area operasi yang aman dapat sangat bergantung pada situasi tertentu.

Berikut ini, adalah beberapa konsep dasar disipasi daya pada komponen elektronik /power dissipation in electronic components, dengan memperhatikan pemahaman bagaimana memilih komponen untuk rangkaian sederhana dengan keterbatasan dalam berpikir.

- CONTOH SEDERHANA -

Mari kita mulai dengan salah satu rangkaian paling sederhana yang bisa dibayangkan: Baterai dihubungkan ke satu resistor tunggal:

Di sini, kita memiliki sebuah baterai 9 V, dan sebuah resistor 100 Ω (100 Ohm), dihubungkan dengan kabel untuk membentuk rangkaian/sirkuit lengkap.
Cukup mudah kan?
Tapi sekarang timbul pertanyaan: Jika kalian ingin benar-benar membuat rangkaian/sirkuit ini, seberapa besar ukuran resistor 100 Ω yang perlu digunakan? serta untuk memastikannya agar tidak terlalu panas?

Artinya, bisakah kita menggunakan resistor "biasa" ¼ W, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, atau apakah kita perlu menggunakan ukuran yang lebih besar?

Untuk mengetahui seberapa besar ukuran resistor 100 Ω yang perlu digunakan, kita harus bisa menghitung besarnya daya yang akan melewati resistor. 

Inilah aturan umum untuk menghitung disipasi daya:

Rumus Daya/Power Rule: P = I × V 

Jika arus I mengalir melalui melalui elemen tertentu dalam rangkaian, kehilangan tegangan V dalam proses, maka daya yang ditimbulkan oleh unsur pada rangkaian adalah hasil arus dan tegangan: P = I × V .

Bagaimana arus & tegangan saat ini memberi kita pengukuran "daya/power"? Untuk memahami hal ini, kita perlu mengingat apa yang mewakili arus dan tegangan secara fisik. Arus listrik adalah laju aliran muatan listrik melalui rangkaian, biasanya dinyatakan dalam ampere, dimana 1 ampere = 1 coulomb per detik. ( Coulomb adalah satuan SI muatan listrik.).Tegangan, atau lebih formal, potensial listrik , adalah energi potensial per unit muatan listrik - melintasi elemen sirkuit yang bersangkutan. Dalam kebanyakan kasus, kalian dapat menganggap ini sebagai jumlah energi yang "habis" dalam elemen, per unit muatan yang melewatinya. Potensi listrik biasanya diukur dalam volt, di mana 1 volt = 1 joule per coulomb. ( Joule adalah satuan energi SI.)Jadi, jika kita mengambil arus tegangan, itu memberi kita jumlah energi yang "habis" dalam elemen, per unit muatan, berapa kali jumlah unit muatan yang melewati elemen per detik:1 ampere × 1 volt = 1 (coulomb / second) × 1 (joule / coulomb) = 1 joule / detikKuantitas yang dihasilkan berada dalam satuan satu joule per detik: laju aliran energi, lebih dikenal dengan kekuatan . Satuan daya SI adalah watt , di mana 1 watt = 1 joule per detik.Akhirnya, kita punya1 ampere × 1 volt = 1 watt 

Kembali ke sirkuit ! Untuk menggunakan power rule ( P = I × V ), kita perlu mengetahui arus yang melalui resistor, dan tegangan resistor.

Pertama, kita menggunakan hukum Ohm ( V = I × R ), untuk menemukan arus melalui resistor.
• Tegangan di resistor adalah V = 9 V.
• Resistansi resistor adalah R = 100 Ω.

Oleh karena itu, arus yang melalui resistor adalah:

I = V / R = 9 V / 100 Ω = 90 mA

Kemudian, kita bisa menggunakan rumus daya/power rule ( P = I × V ), untuk mengetahui daya yang dihamburkan oleh resistor.
• Arus melalui resistor adalah I = 90 mA.
• Tegangan di resistor adalah V = 9 V.

Oleh karena itu, daya yang digunakan pada resistor adalah:

P = I × V = 90 mA × 9 V = 0,81 W

Jadi, bisakah kalian melanjutkan dan menggunakan resistor sebesar 1/4 W itu?

Tentu tidak, karena kemungkinan akan gagal dan kepanasan.
Resistor 100 Ω di sirkuit ini perlu diberi nilai paling sedikit 0,81 W. Umumnya, satu memilih ukuran yang tersedia lebih besar berikutnya, yaitu 1 W (dalam kasus ini).

Sebuah resistor 1 W biasanya mempunyai bentuk fisik yang jauh lebih besar, seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini:

(A 1 W, 51 Ω resistor, untuk perbandingan ukuran.)

Karena resistor 1 W jauh lebih besar secara fisik, seharusnya bisa mengurangi daya yang lebih tinggi, dengan luas permukaan yang lebih tinggi dan lead yang lebih lebar. (Mungkin masih sangat panas saat disentuh, tapi seharusnya tidak cukup panas sehingga gagal.

Berikut adalah cara alternatif dengan menggunakan empat buah resistor 25 ohm yang dihungkan secara seri (dijumlahkan hingga 100 Ω). Dalam hal ini, arus yang melalui masing-masing resistor masih 90 mA. Tapi, karena hanya ada seperempat volt di setiap resistor, hanya ada seperempat daya yang hilang pada masing-masing resistor. Untuk pengaturan ini, kita hanya perlu empat resistor sebesar 1/4 W.

Karena keempat resistor tersebut dihubungkan secara seri , kita bisa menambahkan nilai Rt (Rtotal) untuk mendapatkan resistansi totalnya 100 Ω. Menggunakan hukum Ohm dengan resistansi total tersebut memberi kita arus 90 mA lagi. Dan lagi, karena resistor secara seri, arus yang sama (90 mA) harus mengalir melalui masing-masing, kembali ke baterai. Tegangan di masing-masing resistor 25 Ω adalah V = I × R , atau 90 mA × 25 Ω = 2,25 V. (Untuk mengecek kembali apakah ini masuk akal?, perhatikan bahwa voltase di empat resistor berjumlah hingga 4 × 2,25 V = 9 V.)Daya di masing-masing resistor 25 Ω adalah P = I × V = 90 mA × 2,25 V ≈ 0,20 W, tingkat yang aman untuk digunakan dengan resistor 1/4 W. Secara intuitif, juga masuk akal jika Anda membagi resistor 100 Ω menjadi empat bagian yang sama, masing-masing harus menghilangkan seperempat dari daya total.

Bersambung....