Merancang Rangkaian Matriks LED

Matriks LED adalah LED-LED yang disusun dalam kolom dan baris. LED-LED ini kemudian digunakan untuk menampilkan gambar-gambar atau tulisan yang biasanya ditampilkan dengan efek animasi tertentu. Oleh karena itu, matriks LED sering disebut sebagai Running Text atau Moving Sign.

Menyusun LED sebagai matriks

MXLED merupakan simulator rangkaian matriks LED. Dengan simulator ini, kita bisa mencoba program pengendali matriks LED walaupun tanpa hardware. MXLED membuat matriks LED dengan cara menyusun LED pada jalur-jalur vertikal dan jalur-jalur horisontal. Kita harus menyediakan jalur horisontal sebanyak jumlah baris (kita buat delapan baris). Kemudian kita juga membuat jalur vertikal sebanyak jumlah kolom. Susunan jalur-jalur vertikal dan horisontal tersebut adalah seperti gambar berikut:

Jalur Vertikal dan Horisontal

Jalur-jalur vertikal dan horisontal tersebut tidak saling terhubung. Kemudian, pada setiap titik pertemuan antara jalur vertikal dan horisontal tersebut, pasanglah sebuah LED dengan cara menghubungkan anoda ke jalur horisontal dan katoda ke jalur vertikal. Pemasangan LED tersebut adalah seperti gambar berikut:

Pemasangan LED

Dengan memasang LED seperti di atas, LED yang menyala adalah LED yang anodanya terhubung pada jalur horisontal yang tinggi (1) dan katodanya terhubung pada jalur vertikal yang rendah (0). Hanya ada satu jalur vertikal yang rendah pada satu waktu, sedangkan jalur-jalur lainnya harus tetap tinggi. Jalur vertikal yang rendah ini kita sebut sebagai kolom aktif. Berbeda dengan jalur vertikal, jalur horisontal yang terdiri dari delapan baris ini boleh bernilai tinggi atau rendah tanpa harus memperhatikan jalur-jalur horisontal lainnya.

Pengendali horisontal

Untuk memberi tegangan pada jalur horisontal ini, kita tidak bisa secara langsung menyambungkannya ke port. Hal ini disebabkan oleh kebutuhan arus yang cukup besar. Oleh karena itu, jalur-jalur horisontal kita beri catu daya menggunakan transistor PNP seperti gambar berikut:

Catu daya untuk jalur horisontal

Setiap Jalur horisontal diberi transistor seperti gambar di atas. Dengan cara seperti ini, untuk membuat agar jalur horisontal bisa memberi arus pada LED, maka basis harus diberi kondisi rendah (0). Sedangkan jika basis diberi kondisi tinggi, maka jalur justru tidak bisa memberikan arus untuk LED.

Pengendali vertikal

Seperti jalur horisontol, jalur vertikal juga tidak bisa dikendalikan secara langsung menggunakan port. Hal ini disebabkan oleh jumlah arus yang harus dibenamkan ke ground yang cukup besar. Oleh karena itu, kita bisa menggunakan transistor NPN untuk membenamkan arus dari jalur-jalur vertikal ini. Cara pemasangannya adalah seperti gambar berikut:

Sink arus jalur vertikal

Setiap jalur vertikal dikendalikan menggunakan transistor seperti gambar di atas. Jika basis diberi kondisi tinggi (1), maka jalur akan menjadi jalur (kolom) aktif. Sebaliknya jika basis diberi kondisi rendah (0), maka jalur menjadi kolom tidak aktif.
Seperti telah disebutkan di atas, hanya ada satu kolom saja yang boleh aktif, sedangkan kolom lainnya harus tidak aktif. Ada banyak IC yang keluarannya bekerja seperti itu. Salah satu yang paling murah adalah 4017.

Pengendalian kolom menggunakan IC 4017

Sayang sekali bahwa IC ini hanya memiliki 10 keluaran saja. Dengan demikian, kita hanya bisa membuat pengendalian untuk 10 kolom saja
Tenang, kita bisa menggunakan trik lain untuk memperlebar kemampuan pengendalian 4017 ini. Caranya adalah dengan membuat blok-blok kolom. Kolom-kolom dikelompokkan menjadi blok-blok kolom. Setiap blok kolom terdiri dari 10 kolom. Kolom-kolom pada setiap blok kolom diberi nomor dari 0 hingga 9. Jadi, kolom 0 adalah kolom 0 dari blok 0, kolom 10 adalah kolom 0 dari blok 1, kolom 21 adalah kolom 1 dari blok 2, dan seterusnya.
Setiap basis dari kolom dengan nomor sama digabungkan menjadi satu dan dikendalikan oleh sebuah keluaran dari 4017. Sebagai contoh, basis dari kolom 0 dihubungkan dengan basis dari kolom 10, kolom 20, kolom 30, dan seterusnya. Kemudian basis-basis yang telah menjadi satu ini dikendalikan oleh Q0 dari 4017.

Blok-blok kolom

Dari gambar di atas bisa kita lihat bahwa walaupun basis dari kolom 0 dan kolom 10 dikendalikan secara bersamaan, akan tetapi kolom yang bisa membenamkan arus hanya kolom yang bloknya sedang aktif. Terlihat bahwa cara pengendalian kolom maupun blok kolom adalah sama. Jika jumlah blok kolomnya sedikit, maka pengendali blok kolom bisa dilakukan secara langsung menggunakan port dari mikrokontroler. Akan tetapi jika jumlah blok kolomnya cukup banyak, maka blok-blok kolom tersebut juga bisa dikendalikan menggunakan 4017 yang lain. Jadi, kita menyusun 4017 secara bertingkat, yaitu 4017 satuan (pengendali kolom) dan 4017 puluhan (pendendali blok kolom). Dan jika jumlah blok kolom inipun lebih dari 10, maka kita bisa membuat tingkat berikutnya, yaitu 4017 tingkat ratusan.
Untuk menyusun 4017 secara bertingkat seperti di atas, adalah dengan menghubungkan keluaran carry dari 4017 tingkat satuan sebagai masukan clock bagi 4017 tingkat puluhan. Dan jika ada 4017 tingkat ratusan, maka carry dari 4017 tingkat puluhan digunakan sebagai masukan clock bagi 4017 tingkat ratusan. Begitu seterusnya. Sedangkan masukan reset dari semua 4017 digabungkan menjadi satu. Dengan demikian, keseluruhan sistem pengendalian kolom hanya membutuhkan dua jalur kendali, yaitu masukan clock (merupakan msaukan clock 4017 tingkat satuan) dan masukan reset (gabungan dari semuar reset 4017). Jadi, penyusunan matriks LED seperti ini tepat sama dengan simulasi MXLED.

Perhitungan Arus

Dari penjelasan-penjelasan di atas, kita bisa melihat bahwa ada tiga macam transistor dilihat dari posisinya. Pertama adalah transistor pengendali baris, kedua adalah transistor pengendali kolom (satuan), dan transistor pengendali blok kolom (puluhan). Tentu saja perhitungan ini dengan asumsi bahwa jumlah kolom tidak lebih dari 100 kolom.

Perhitungan arus transistor pengendali horisontal

Jika setiap LED menggunakan arus sebesar I, maka jumlah maksimal total arus yang melewati transistor pengendali baris adalah I x jumlah kolom. Sebagai contoh, jika setiap LED kita rancang untuk menggunakan arus sebesar 5mA dan jumlah kolomnya adalah 30 kolom, maka transistor pengendali baris harus bisa mengalirkan arus sebesar 5 x 30 = 150mA.
Pertanyaan selanjutnya adalah, berapa nilai resistor kolektor untuk transistor tersebut?
Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kita harus melihat jalur arus dari catu daya hingga sampai ke ground. Pertama, catu daya masuk melalui emitor dari transistor PNP menuju kolektornya. Kemudian melewati resistor kolektor, terus masuk ke dalam LED, masuk ke kolektor pengendali kolom, kemudian masuk ke kolektor pengendali blok kolom.
Jika catu daya yang digunakan adalah sebesar 5V, berapakah tegangan jepit pada resistor? Tegangan pada resistor adalah 5V – V pada LED – VCE tansistor pengandali baris – VCE transistor pengendali kolom – VCE transistor pengendali blok kolom. Tegangan jepit LED biasanya sekitar 1,7V, akan tetapi ada beberapa jenis LED yang memiliki tegangan jepit hingga 3V. Sedangkan VCE transistor dalam keadaan saturasi biasanya adalah sekitar 0,3V. Kita anggap bahwa kita menggunakan LED biasa dengan tegangan jepit 1,7V. Jadi, tegangan jepit pada resistor adalah 5 – 1,7 – (3 x 0,3) = 2,4V.
Setelah kita mengetahui tegangan jepit pada resistor kolektor transistor pengendali baris, untuk menghitung besarnya resistor tersebut adalah R = V / I = 2,4V / 150mA = 16 ohm. Sayang sekali bahwa mungkin kita akan sulit memperoleh nilai 16 ohm ini. Jadi kita bisa menggunakan nilai yang sedikit lebih rendah, misalnya 15 ohm, sehingga arus pada LED akan sedikit lebih tinggi, atau menggunakan yang sedikit lebih tinggi, misalnya 18 ohm, sehingga arus pada LED akan sedikit lebih rendah.
Hal yang harus sangat diperhatikan pada rancangan metriks LED seperti ini adalah, bahwa perhitungan tersebut adalah perhitungan arus jika scanning sedang berjalan. Jika scanning tidak berjalan, maka arus sebesar 150mA tersebut akan masuk pada satu LED saja Dan arus sebesar ini bisa dipastikan akan menghancurkan LED tersebut. Jadi, kita harus mengambil langkah pencegahan agar arus hanya boleh berjalan jika scanning pada kolom telah berjalan. Sedikit kabar gembiranya adalah, jika kita menggunakan MCS-51 sebagai pengendalinya, maka pada saat reset (proses scanning tidak berjalan) port selalu dalam keadaan tinggi. Jadi, jika basis pengendali baris dihubungkan ke port MCS-51, maka pada saat reset bisa dipastikan bahwa arus belum akan berjalan pada matriks LED. Meskipun demikian, Anda harus memastikan bahwa program tidak akan hang. Karena jika program hang dan proses scanning terhenti, maka itu artinya bencana untuk matriks LED Anda. Dan jika Anda belum yakin bahwa program Anda bisa berjalan mulus, maka Anda bisa mengurangi arus LED agar jika proses scanning tidak berjalanpun, arus yang mengalir masih cukup kecil untuk mampu ditanggung oleh sebuah LED.
Untuk menghitung nilai resistor basis transistor pengendali baris, kita hanya memperhitungkan agar transistor tersebut bekerja sebagai transistor switch, yaitu agar arus yang mengalir adalah arus jenuh. Dengan perhitungan arus kolektor sebesar 150mA, maka kita bisa menggunakan transistor C9012 yang memiliki penguatan arus sekitar 150. Kita bisa mengambil nilai 100 agar lebih aman. Dengan penguatan 100 dan arus kolektor sebesar 150mA, maka arus basis harus sekitar 1,5mA. Tegangan jepit pada resistor basis adalah sekitar 5V – VBE, dimana VBE adalah sekitar 0,7V. Jadi, tegangan jepit pada resistor basis adalah sekitar 4,3V. Dengan demikian, nilai resistor basis adalah 4,3V / 1,5mA = 2K8. Dan lagi-lagi bahwa nilai ini bukan nilai yang tersedia. Jadi kita bisa sedikit mengurangi nilainya menjadi angka terdekat yang tersedia, yaitu 2K7.

Perhitungan arus transistor pengendali kolom

Pengendali kolom akan membenamkan arus sebanyak jumlah baris pada kolom tersebut. Dan kita telah menentukan bahwa jumlahnya adalah delapan baris. Jika kita telah menentukan bahwa arus LED adalah 5mA, maka arus maksimal yang akan dibenamkan oleh transistor pengendali kolom adalah 8 x 5mA, yaitu 40mA. Dengan nilai sebesar ini, kita cukup menggunakan transistor C9013 untuk pengendali kolom. Pengutan transistor C9013 juga sekitar 150. Dan seperti sebelumnya, kita mengambil angka aman menjadi 100 saja. Dengan penguatan sebesar 100 dan arus kolektor sebesar 40mA, maka arus basis pada transistor pengendali kolom adalah sebesar 0,4mA.
Tegangan jepit pada resistor basis pengendali kolom adalah tegangan keluaran dari 4017 dikurangi 2x tegangan VBE. Jika kita menggunakan catu daya 5V, maka tegangan keluaran 4017 adalah sekitar 4,8V. Jadi, tegangan jepit pada resitor basis adalah sekitar 4,8 – 2 x 0,7 = 3,4V. Dengan demikian, nilai resistor basis transistor pengendali kolom adalah 3,4V / 0,4mA = 8K5. Dan lagi-lagi, nilai ini bukan nilai yang tersedia. Jadi, gunakan saja nilai 8K2.

Perhitungan arus transistor pengendali blok kolom

Transistor pengendali blok kolom akan membenamkan arus sebanyak 10 x arus pada transistor pengendali kolom, yaitu 10 x 40mA = 400mA. Dari datasheet, C9013 memiliki arus kolektor maksimum sebesar 500mA. Jadi, kita masih bisa menggunakan C9013 untuk pengendali blok kolom.
Tegangan jepit pada resistor basis pengendali blok kolom adalah tegangan yang digunakan untuk mengendalikan transistor ini dikurangi 1x tegangan VBE. Jika kita juga menggunakan 4017 untuk pengendali blok kolom, maka tegangan jepit pada resistor basis pengendali blok kolom adalah sekitar 4,8 – 0,7 = 4,1V. Dengan demikian, nilai resistor basis pengendali blok kolom adalah 4,1V / 4mA = 1K.
Itu saja. Selamat mencoba