Penggunaan Transistor Sebagai Saklar - Transistor merupakan salah satu komponen semikonduktor yang paling umum digunakan dalam rangkaian elektronika. Salah satu fungsi utama transistor adalah sebagai saklar atau switch yang dapat mengatur aliran arus listrik dalam rangkaian elektronika, memungkinkan untuk menghidupkan (ON) atau mematikan (OFF) perangkat elektronik dengan tegangan rendah.
Transistor Bipolar Junction (BJT) adalah jenis transistor yang terdiri dari tiga lapisan semikonduktor, tiga terminal (Emitter, Base, Collector), dan dua junction (Emitter-Base dan Base-Collector). Transistor BJT disebut "Bipolar" karena melibatkan dua jenis pembawa muatan, yaitu elektron (muatan negatif) dan hole (muatan positif). Transistor BJT memiliki tiga region utama: Basis, Emitor, dan Kolektor. Terdapat dua jenis Transistor BJT, yaitu NPN dan PNP.
Pada Transistor BJT, Emitor adalah region yang didoping secara berat untuk memancarkan elektron ke Basis. Basis, yang didoping secara ringan, meneruskan elektron dari Emitor ke Kolektor. Kolektor, yang didoping secara sedang, berperan mengumpulkan elektron dari Basis. Kolektor memiliki area yang lebih besar dibandingkan dengan Emitor dan Basis, sehingga dapat menyerap panas yang lebih besar.
Transistor BJT tersedia dalam dua jenis, NPN dan PNP, yang memiliki fungsi yang sama namun berbeda dalam hal biasing dan polaritas catu daya. Pada transistor PNP, dua bahan tipe-P diapit oleh bahan tipe-N, sedangkan pada transistor NPN, dua bahan tipe-N diapit oleh bahan tipe-P. Kedua jenis transistor ini dapat dikonfigurasi ke dalam berbagai mode, seperti Common Emitter, Common Collector, dan Common Base, yang mempengaruhi cara kerja dan karakteristiknya dalam suatu rangkaian.
Mode Pengoperasian Transistor
Transistor memiliki tiga mode operasi utama, yaitu mode aktif, cut-off, dan saturasi, bergantung pada kondisi bias (majukan atau mundur). Memahami mode-mode ini penting untuk memahami peran transistor sebagai saklar.
1. Mode Aktif
Dalam mode ini, transistor digunakan sebagai penguat arus. Persimpangan basis-emiiter diberi bias maju, sementara persimpangan kolektor-basis diberi bias terbalik. Arus mengalir antara emiter dan kolektor, dimana arus ini sebanding dengan arus basis.
2. Mode Cut-off
Dalam mode ini, baik persimpangan basis-kolektor maupun basis-emiiter diberi bias terbalik. Ini menyebabkan tidak ada arus yang mengalir dari kolektor ke emiter ketika tegangan basis-emiiter rendah. Dalam mode ini, transistor dimatikan (OFF) karena arus yang mengalir melalui transistor adalah nol.
3. Mode Saturasi
Dalam mode ini, baik persimpangan basis-emiter maupun basis-kolektor diberi bias maju. Arus mengalir bebas dari kolektor ke emiter ketika tegangan basis-emiter tinggi. Dalam mode ini, transistor sepenuhnya aktif atau ON.
Transistor sebagai Saklar
Fungsi Transistor sebagai sakelar memiliki aplikasi luas dalam berbagai perangkat elektronik, yang seringkali diunggulkan karena keandalannya yang tinggi dan biaya yang lebih rendah dibandingkan dengan penggunaan relay konvensional. Switching jenis ini digunakan untuk mengendalikan beragam peralatan, seperti motor, lampu, solenoid, dan lainnya.
Kedua jenis Transistor Bipolar, baik NPN maupun PNP, dapat digunakan sebagai sakelar, dengan masing-masing memiliki keunggulan dan karakteristik khusus. Dalam konteks penggerakan perangkat yang berdaya tinggi, Transistor daya tinggi sering menjadi pilihan yang tepat untuk memastikan efisiensi dan keandalan operasi.
Pada artikel ini, kita akan fokus pada penggunaan Transistor NPN sebagai contoh. Perlu dipahami secara lebih mendalam bagaimana karakteristik, parameter, dan kondisi operasional dari Transistor NPN dalam aplikasi switching untuk memastikan performa yang optimal dan stabilitas yang diperlukan dalam sistem elektronik yang kompleks.
Transistor NPN sebagai Saklar
Sebuah Transistor dapat beroperasi sebagai sakelar apabila terdapat tegangan pada terminal Basis. Ketika tegangan yang mencukupi (Vin > 0,7 V untuk transistor silikon) diberikan antara terminal Basis dan Emitor dengan tegangan Kolektor ke Emitor kira-kira sama dengan 0V, Transistor akan beroperasi dalam mode aktif. Dalam kondisi ini, Transistor bertindak sebagai penghubung, membuka sirkuit ketika dalam kondisi OFF dan menutup sirkuit ketika dalam kondisi ON. Arus kolektor akan mengalir melalui Transistor dari sumber daya (Vcc) menuju beban (dalam contoh ini adalah lampu LED) dan kembali ke tanah (ground) melalui resistor kolektor (Rc).
Ketika tidak ada tegangan atau tegangan nol diterapkan pada input, Transistor beroperasi di daerah cut-off dan bertindak sebagai sirkuit terbuka. Dalam jenis koneksi switching, beban terhubung ke output switching dengan titik referensi. Jadi, ketika transistor dinyalakan, arus akan mengalir dari sumber (source) ke tanah (ground) melalui beban seperti pada gambar berikut ini. Konsep ini penting untuk dipahami karena membentuk dasar dari operasi sakelar transistor dalam rangkaian elektronik.
Contoh Rangkaian dan Perhitungan Transistor NPN sebagai Saklar
Dalam rangkaian transistor seperti yang diilustrasikan di bawah ini, dengan resistansi RB = 50 kΩ dan resistansi pada terminal Kolektor RC = 0,7 kΩ, dan tegangan Vcc adalah 5V dengan nilai beta (β) transistor sebesar 125. Kita akan menganalisis output pada terminal Kolektor dengan memvariasikan input (Vi) pada dua kondisi, yaitu ketika Vi adalah 0V dan ketika Vi adalah 5V.
Dari perhitungan arus Kolektor, dengan asumsi VCE = 0, kita dapat menghitung bahwa arus Kolektor (Ic) adalah 7.1 mA. Dan arus Basis (Ib), yang merupakan Ib = Ic / β, adalah sekitar 56.8 µA.
Dari sini, kita dapat menyimpulkan bahwa ketika arus basis melebihi 56,8µA, transistor akan masuk ke mode saturasi.
Ketika tidak ada tegangan input (Vi = 0V), arus Basis menjadi nol dan transistor berada dalam kondisi mati (OFF), sehingga tegangan keluaran pada terminal Kolektor adalah sekitar 5V.
Namun, ketika Vi = 5V, Ib dapat dihitung menggunakan hukum tegangan Kirchhoff. Dengan menggunakan nilai Vbe untuk transistor silikon sebesar 0.7V, Ib = (5V - 0.7V) / 50K ohm = 86 µA, yang lebih besar dari 56.8 µA.
Karena arus Basis lebih besar dari 56,8 µA, transistor akan didorong ke mode saturasi, di mana transistor sepenuhnya ON, ketika 5V diberikan pada input. Sebagai hasilnya, output pada terminal Kolektor menjadi sekitar Nol.