Rangkaian Transistor Sebagai Switch - PART 1

Postingan kali ini adalah catatan tentang bagaimana menggunakan transistor sebagai switching atau pen-saklaran. Fungsi utama transistor sebenarnya juga bisa sebagai penguat dan regulator, ulasannya akan saya bahas secara khusus pada postingan terpisah.

Secara umum ada 3 jenis transistor yang biasa digunakan dalam rangkaian elektronika, yaitu transistor BJT (Bipolar Junction Transistor), FET (Field Effect Transistor), dan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Agar tidak terlalu melebar saya akan batasi dahulu pembahasan switching transistor kali ini hanya pada transistor jenis BJT atau yang biasa disebut transistor bipolar. Berikut pembahasannya. 

Type Transistor

Transistor bipolar, atau Bipolar Junction Transistor (BJT), adalah komponen elektronik penting yang digunakan untuk menguatkan atau mengalihkan sinyal listrik. BJT terdiri dari tiga bagian: kolektor (C), basis (B), dan emitor (E). Terdapat dua tipe utama BJT: NPN dan PNP, yang masing-masing memiliki perbedaan dalam susunan material semikonduktornya.

1. NPN Transistor

• Struktur: Terdiri dari dua lapisan n-doped yang mengapit satu lapisan p-doped yaitu Negatif-Positif-Negatif atau disingkat N-P-N.
• Cara Kerja: Hole (kekosongan elektron) mengalir dari basis ke emitor ketika basis diberi tegangan barrier positif. Sehingga memungkinkan arus mengalir antara kolektor dan emitor.
• Aplikasi: Banyak digunakan dalam rangkaian penguat dan saklar elektronik karena arus kolektor yang besar bisa dikendalikan oleh arus basis yang kecil.
• Polaritas: Untuk operasi yang benar, kolektor ke tegangan positif, emitor harus terhubung ke tegangan negatif, dan basis ke tegangan positif yang lebih rendah daripada kolektor.

2. PNP Transistor

• Struktur: Terdiri dari dua lapisan p-doped yang mengapit satu lapisan n-doped P-N-P yaitu Positif-Negatif-Positif atau disingkat P-N-P.
• Cara Kerja: Hole (kekosongan elektron) mengalir dari emitor ke kolektor ketika basis diberi tegangan barrier negatif. Sehingga memungkinkan arus mengalir antara kolektor dan emitor.
• Aplikasi: Juga digunakan dalam penguat dan saklar elektronik, tetapi polaritas tegangan operasionalnya berlawanan dengan NPN.
• Polaritas: Untuk operasi yang benar, emitor harus terhubung ke tegangan positif, kolektor ke tegangan negatif, dan basis ke tegangan negatif yang lebih rendah daripada emitor.
  

 

Mode Kerja Transistor

Tahap awal untuk memahami bagaimana transistor dapat bekerja sebagai sakelar adalah dengan memahami mode kerja transistor. Mode kerja transistor adalah kondisi di mana transistor dapat bekerja sebagaimana mestinya. Ada tiga mode kerja transistor yaitu mode Cut-Off, Mode Aktif, dan Mode Saturasi. Berikut ini pembahasan mengenai mode kerja Transistor BJT untuk penerapan praktisnya.

1.   Mode Cut-Off:

Deskripsi: Dalam mode ini, transistor berfungsi sebagai saklar terbuka. Arus basis (IB) nol menyebabkan arus kolektor (IC) juga nol, sehingga tidak ada aliran arus dari kolektor ke emitor.

Syarat Kondisi:

o    VBE sekitar sama dengan 0 atau bisa diringkas menjadi: VBE ≈ 0V

o    IB sekitar sama dengan 0 atau bisa diringkas menjadi: IB ≈ 0

o    VCE mendekati VCC atau bisa diringkas menjadi: VCE ≈ VCC​

o    IC sekitar sama dengan 0 atau bisa diringkas menjadi: IC ≈ 0

2.   Mode Aktif:

Deskripsi: Transistor dalam mode aktif berfungsi sebagai penguat arus. Tegangan basis-emitor (VBE) di atas ambang batas (sekitar 0,7V untuk silikon) memungkinkan arus basis (IB) kecil mengendalikan arus kolektor (IC) yang jauh lebih besar, sesuai dengan faktor penguatan arus (𝛽 [beta] atau ℎ𝐹𝐸​).

Syarat Kondisi:

o    VBE ≥ 0.7V untuk NPN, dan VBE ≤ −0.7V untuk PNP (lihat datasheet untuk nilai yang tepat).

o    IB > 0 (min/max active region lihat datasheet).

o    0V < VCE < VCC untuk NPN, dan −VCC < VCE < 0V untuk PNP.

o    IC≈β⋅IB​, di mana β adalah hFE (lihat datasheet).

3.   Mode Saturasi:

Deskripsi: Dalam mode saturasi, transistor bertindak seperti saklar tertutup. Arus basis yang cukup besar mengalir sehingga transistor sepenuhnya aktif dan arus kolektor-emitor maksimal, dengan tegangan kolektor-emitor (VCE) mendekati nol. Arus basis dinaikkan dan resistansi kolektor RCE diturunkan.

Syarat Kondisi:

o    VBE ≥ 0.7V untuk NPN, dan VBE ≤ −0.7V untuk PNP (lihat datasheet).

o    IB ≈ maksimum atau IB ≈ IC(saturasi).

o    VCE mendekati sama dengan 0 atau bisa diringkas menjadi: VCE ≈ 0.

o    IC ≈ maksimum yang diizinkan oleh rangkaian (lihat datasheet). 

 Catatan Penting:

• Datasheet: Setiap transistor memiliki spesifikasi berbeda yang bisa ditemukan di datasheet. Ini termasuk nilai hFE​ atau 𝛽, batas arus maksimum, dan tegangan saturasi. Selalu merujuk datasheet untuk aplikasi praktis. 

• Jenis Transistor: Nilai tegangan bias maju basis-emitor (VBE) dan karakteristik lainnya berbeda untuk transistor NPN dan PNP. Pastikan untuk memahami perbedaannya saat merancang rangkaian.
• Fungsi Switching: Dalam rangkaian switching mode kerja yang dipakai hanya mode cutoff dan mode saturasi. Mode aktif sama sekali tidak dipakai dalam fungsi switching.

Prinsip Operasi Transistor sebagai Saklar

Pada pembahasan di atas, kita telah mengetahui tiga mode kerja transistor. Ketika transistor digunakan sebagai saklar, prinsip kerjanya mirip dengan fungsi saklar mekanik terbuka dan tertutup, misalnya saklar Push Button (lihat artikel tentang Push Button). Dengan menekan Push Button yang dirangkai pada suatu sirkuit listrik, kita dapat menghubungkan dan memutuskan arus listrik pada sirkuit tersebut.

Transistor dapat menghubungkan arus listrik (On) menggunakan mode saturasi dan memutuskannya (Off) menggunakan mode cut-off. Dalam mode saturasi, transistor berfungsi seperti saklar tertutup, sehingga arus listrik dapat mengalir bebas antara kolektor dan emitor. Sebaliknya, dalam mode cut-off, transistor berfungsi seperti saklar terbuka, menghentikan aliran arus listrik antara kolektor dan emitor.

Dalam aplikasi praktis, setidaknya kita perlu memahami prinsip operasi dasarnya. Perhatikan diagram di bawah ini untuk memahami cara kerja transistor.

Simbol transistor dalam diagram di atas mencakup panah yang berfungsi sebagai indikator arah arus. Persimpangan (junction) basis-emitor dalam transistor bertindak seperti dioda, dari setiap persimpangannya terdapat zona deplesi. Dioda akan mengalirkan arus listrik dengan bias maju jika zona deplesi pada junction mengalami penipisan. Kondisi tersebut syaratnya adalah VBE harus mencapai tegangan barrier yaitu 0,7V untuk bahan silikon. Artinya, tegangan minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan transistor adalah 0,7V pada persimpangan basis-emitor. Sedangkan pada transistor berbahan germanium, tegangan barrier ini biasanya sekitar 0,3V.

Arus basis (IB) hanya dapat mengalir jika tegangan pada sambungan basis-emitor (VBE) setara atau melebihi 0,7V (atau 0,3V untuk germanium). Arus basis yang kecil ini dapat mengendalikan arus kolektor (IC) yang jauh lebih besar, tergantung pada resistansi kolektor (RCE) dan tegangan kolektor (VCC).

Transistor memiliki faktor penguatan arus 𝛽 (Beta) atau hFE yang dinyatakan sebagai:

$$hFE = IC ∙ $$IB

Konstanta hFE biasanya memiliki nilai sekitar 20 hingga 1000, tergantung pada jenis dan spesifikasi transistor.

Contoh Rangkaian Switching Transistor

Seperti pembahasan sebelumnya dalam contoh rangkaian ini saya menggunakan 2 (dua) jenis transistor NPN dan PNP. Masing-masing jenis transistor akan diberikan rangkaian Pull Up Resistor dan Pull Down Resistor. Berikut ini contoh rangkaiannya:

1. Rangkaian Dasar Switching Transistor NPN

Rangkaian diatas dibuat dengan kendali trigger ke basis menggunakan Push Button. Pada Rangkaian A transistor NPN secara default akan standby dalam kondisi saklar terbuka dan menyebabkan LED OFF sebelum Push Button ditekan. Sedangkan pada rangkaian B Transistor NPN dirangkai dengan Resistor Pull Up, sehingga kondisi transistor secara default akan standby dalam kondisi saklar tertutup dan menyebabkan LED ON sebelum Push Button ditekan. 

Ketika Push Button ditekan, maka kondisi Transistor akan berubah sebaliknya. Pada rangkaian A kondisi transistor PNP akan menjadi saklar tertutup sehingga LED menjadi ON. Sedangkan pada rangkaian B kondisi transistor PNP akan menjadi saklar terbuka sehingga LED menjadi OFF. Perhatikan Gambar berikut ini.

2. Rangkaian Dasar Switching Transistor PNP

Seperti halnya dengan transistor NPN, pada rangkaian transistor jenis PNP diatas dibuat dengan kendali trigger ke basis menggunakan Push Button, hanya saja berfungsi sebalikannya. Pada Rangkaian A transistor PNP kondisi transistor secara default akan standby dalam kondisi saklar tertutup yang menyebabkan LED OFF sebelum Push Button ditekan. Sedangkan pada rangkaian B Transistor PNP dirangkai dengan Resistor Pull Down, artinya kondisi transistor secara default akan standby dalam kondisi saklar tertutup yang menyebabkan LED ON sebelum Push Button ditekan. 

Ketika Push Button ditekan, maka kondisi Transistor akan berubah sebaliknya. Pada rangkaian A kondisi transistor PNP akan menjadi saklar tertutup sehingga LED menjadi ON. Sedangkan pada rangkaian B kondisi transistor PNP akan menjadi saklar terbuka sehingga LED menjadi OFF. Perhatikan Gambar berikut ini.

Keunggulan Transistor Sebagai Saklar

Terdapat banyak jenis saklar dalam aplikasi rangkaian listrik, seperti saklar mekanik, elektromekanik, dan semikonduktor. Contoh saklar mekanik meliputi saklar lampu rumah, saklar push button, toggle switch, dan latch switch. Saklar elektromekanik mencakup relay dan kontaktor. Sedangkan saklar semikonduktor mencakup dioda, transistor, dan thyristor.

Sebagai saklar dalam kategori semikonduktor, transistor sepenuhnya menggunakan trigger listrik untuk mengalirkan atau memutus arus dalam sirkuit rangkaian. Dengan demikian, transistor bisa dianggap sebagai saklar elektrik.

Keunggulan transistor terletak pada kecepatannya dalam memperalih daya, yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan saklar mekanik dan elektromekanik. Dengan trigger elektrik, maka transistor mampu beroperasi pada kecepatan yang sangat tinggi, mendekati kecepatan gelombang listrik yang diukur dalam rentang frekuensi (Hz).

Kesimpulan

Transistor adalah komponen penting dalam rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai penguat dan saklar. Artikel ini telah membahas penggunaan transistor Bipolar Junction Transistor (BJT) sebagai saklar, menguraikan dua tipe utama BJT yaitu NPN dan PNP, serta menjelaskan struktur, cara kerja, dan aplikasi praktis masing-masing tipe.

Terdapat tiga mode kerja transistor yang perlu dipahami: Cut-Off, Aktif, dan Saturasi. Dalam mode Cut-Off, transistor berfungsi sebagai saklar terbuka, sementara dalam mode Saturasi, transistor berfungsi sebagai saklar tertutup. Mode Aktif digunakan untuk penguatan arus, namun tidak relevan untuk fungsi switching. Mode Cut-Off dan Saturasi adalah mode utama yang digunakan dalam aplikasi switching.

Dengan memahami prinsip kerja transistor sebagai saklar, kita dapat mengaplikasikannya dalam berbagai rangkaian praktis. Contoh rangkaian switching transistor NPN dan PNP telah disajikan, menunjukkan bagaimana transistor dapat digunakan untuk mengendalikan arus listrik dengan efisien. Keunggulan transistor sebagai saklar listrik terletak pada kecepatan tinggi dan efisiensi operasionalnya dibandingkan dengan saklar mekanik dan elektromekanik.