Transistor Sebagai Sakelar (Switch)

Transistor Sebagai Sakelar (Switch), Cara Kerja dan Perhitungannya – Transistor merupakan komponen semikonduktor yang paling banyak dipakai di rangkaian-rangkaian elektronika. Salah satu kegunaan Transistor yang paling umum dalam rangkaian elektronika adalah sebagai sakelar atau switch yang dapat menghidupkan (ON) atau mematikan (OFF) sebuah perangkat DC yang bertegangan rendah.

Transistor yang dibahas di artikel ini adalah Transistor jenis Bipolar atau BJT (Bipolar Junction Transistor) yang terdiri dari 3 lapisan, 3 kaki terminal dan 2 persimpangan semikonduktor. Dikatakan Bipolar karena melibatkan dua jenis pembawa muatan yaitu Electron yang merupakan pembawa muatan negatif dan Hole yang berperan sebagai pembawa muatan positif. Transistor Bipolar ini memiliki 3 wilayah yaitu Basis, Emitor dan Kolektor. Terdapat dua jenis Transistor Bipolar yaitu NPN dan PNP.

Sebuah Transistor Bipolar terdiri dari 3 daerah atau region yaitu Basis, Emitor dan Kolektor. Emitor adalah kawasan atau region yang di doping berat yang memancarkan elektron ke region Basis. Sedangkan Basis yang di doping ringan akan meneruskan elektron dari kawasan Emitor ke Kolektor. Kawasan Kolektor yang di doping sedang ini berperan untuk mengumpulkan Elektor dari kawasan Basis. Kolektor yang memiliki kawasan yang lebih besar ini akan memiliki panas yan lebih dari kedua kawasan lainnya.

BJT terdiri dari dua jenis NPN dan PNP, keduanya berfungsi sama tetapi berbeda dalam hal biasing dan polaritas catu daya. Dalam transistor PNP, antara dua bahan tipe-P bahan tipe-N diapit sedangkan dalam kasus transistor NPN bahan tipe-P diapit antara dua bahan tipe-N. Kedua transistor ini dapat dikonfigurasikan ke dalam berbagai tipe seperti common emitor, common collector, dan konfigurasi basis umum.
Baca juga : Pengertian Transistor dan Jenis-jenisnya.

Mode Pengoperasian Transistor

Bergantung pada kondisi bias seperti maju (Forward) atau mundur (Reverse), transistor memiliki tiga mode operasi utama yaitu mode aktif, cut-off dan saturasi. Sebelum kita masuk ke pembahasan lebih lanjut mengenai fungsi Transistor sebagai Sakelar ini, sebaiknya kita memahami tentang 3 mode operasi Transistor ini.

1. Mode Aktif

Dalam mode ini transistor umumnya digunakan sebagai penguat arus. Dalam mode aktif, dua persimpangan berbeda bias yang berarti persimpangan basis emitor maju bias sedangkan persimpangan kolektor-basis bias terbalik. Dalam mode ini, arus mengalir antara emitor dan kolektor dan jumlah aliran arus sebanding dengan arus basis.

2. Mode Cut-off

Dalam mode ini, baik persimpangan basis kolektor dan persimpangan basis emitor dibiaskan terbalik. Ini pada gilirannya tidak memungkinkan arus mengalir dari kolektor ke emitor ketika tegangan basis-emitor rendah. Dalam mode ini, perangkat sepenuhnya dimatikan (OFF) karena arus yang mengalir melalui perangkat adalah nol.

3. Mode Saturasi

Dalam mode operasi ini, baik basis emitor dan persimpangan basis kolektor maju bias. Arus mengalir bebas dari kolektor ke emitor ketika tegangan basis-emitor tinggi. Dalam mode ini, perangkat sepenuhnya AKTIF atau ON.

Fungsi Transistor sebagai sakelar ini sering digunakan di berbagai perangkat elektronik karena memiliki keandalan yang signifikan dengan biaya yang lebih rendah apabila dibanding dengan relay konvensional. Aplikasi switching jenis ini biasanya digunakan untuk mengendalikan motor, beban lampu, solenoid dan lain-lainnya. Perlu diketahui juga, kedua jenis Transistor Bipolar yaitu Transistor NPN dan PNP dapat digunakan sebagai sakelar. Sedangkan untuk menggerakan perangkat yang berdaya tinggi, kita dapat menggunakan Transistor daya tinggi untuk menggerakannya. Pada artikel ini, kita akan menggunakan Transistor NPN sebagai contohnya.

Transistor NPN sebagai Sakelar

Sebuah Transistor dapat beroperasi sebagai Sakelar apabila terdapat tegangan pada terminal Basis. Ketika tegangan yang cukup (Vin > 0,7 V) diberikan diantara terminal basis dan emitor dengan tegangan kolektor ke emitor kira-kira sama dengan 0V. Oleh karena itu, Transistor bertindak sebagai penghubung (sirkuit tertutup atau hubungan pendek). Arus kolektor Vcc / Rc akan mengalir melalui Transistor.

Demikian pula, 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 (dalam contoh ini adalah lampu LED) 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 dibawah ini.

Contoh Rangkaian dan Perhitungan Transistor NPN sebagai Sakelar

Seperti contoh pada rangkaian di bawah ini, Resistansi pada R_B = 50 kΩ dan Resistansi pada terminal Kolektor R_C = 0,7 kΩ, sedangkan tegangan Vcc adalah 5V dengan nilai beta 125. Pada input Basis, sinyal yang bervariasi antara 0 dan 5V diberikan sehingga kita akan melihat output pada kolektor dengan memvariasikan Vi di dua kondisi yaitu pada saat kondisi 0V dan kondisi 5V seperti yang ditunjukkan pada gambar.

Arus Kolektor
Ic = Vcc/Rc ketika VCE = 0
Ic = 5V/0.7 kΩ
Ic = 7.1 mA

Arus Basis
Ib = Ic / β
Ib = 7.1 mA/125
Ib = 56.8 µA

Dari perhitungan di atas, nilai maksimum atau nilai puncak (peak value) arus kolektor dalam rangkaian adalah 7.1mA ketika Vce sama dengan nol. Dan arus Basis yang sesuai dengan arus kolektor adalah 56.8μA. Jadi, jelas bahwa ketika arus basis meningkat melebihi 56,8µA maka transistor akan masuk ke mode saturasi.

Ketika tegangan 0V diterapkan pada input (atau tidak diberikan tegangan). Maka akan menyebabkan arus Basis menjadi nol (0V) dan karena Emitor di-ground-kan, persimpangan Basis-Emitor tidak bias maju. Oleh karena itu, transistor dalam kondisi OFF dan tegangan keluaran kolektor sama dengan 5V.

Ketika

Vi = 0V, Ib = 0 and Ic =0,
Vc = Vcc – (IcRc)
Vc = 5V – 0
Vc = 5V

Namun apabila tegangan input yang diberikan ke terminal Basis adalah 5 volt, maka arus Basis dapat ditentukan dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff.

Ketika

Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb

Untuk Transistor Silicon Vbe = 0.7 V

Maka

Ib = (5V – 0.7V) / 50K ohm
Ib = 86 µA, lebih besar daripada 56.8 µA

Karena arus basis lebih besar dari 56,8 µA, Transistor akan didorong ke saturasi yang ON sepenuhnya ketika 5V diberikan pada input. Dengan demikian Output di Kolektor menjadi sekitar Nol.