Transistor

Sebuah thermistor dibuat dari bahan semikonduktor. Kelas transistor yang akan dibicarakan dalam artikel ini adalah mengenai transistor NPN silikon. Jenis transistor ini dikenal juga sebagai transistor bipolar (bipolar junction transistor), atau BJT. Kita tidak akan membahas alasan pemberian nama-nama ini, dan anda tidak perlu mengingat semua yang disebutkan cukup dengan ‘BJT’ saja. Transistor-transistor dari kelas BJT, yang diuraikan didalam topik ini, adalah yang paling umum digunakan. Jenis transistor lain yang sering digunakan atau dijumpai adalah kelas MOSFET. Semua transistor memiliki tiga buah terminal atau sambungan. 

Transistor daya-rendah dibuat dengan kemasan dari bahan plastik atau logam. Kemasan transistor yang terbuat dari plastik memiliki salah satu sisi permukaan yang berbentuk datar, sedangkan yang terbuat dari logam memiliki sebuah tonjolan (tag) pada pinggiran bawahnya (rim). Fitur-fitur ini dimaksudkan untuk membantu pemakai mengidentifikasikan kaki-kaki terminal. Apabila dilihat dari arah bawah, kaki-kaki transistor akan nampak sebagaimana berikut ini, untuk sebagian besar (namun tidak semua ) transistor daya-rendah:

Simbol yang diperlihatkan paling kanan pada gambar diatas digunakan untuk merepresentasikan BJT didalam diagram-diagram rangkaian. Terminal-terminalnya diberi label dengan huruf-huruf c, b, dan e, yang merupakan singkatan dari kolektor (Collector), basis (base), dan emitor (emitter).

Cara kerja transistor

Untuk menggunakan sebuah BJT, kita harus menyambungkan sedimikian rupa sehingga :

• Terminal emitor BJT adalah terminal dengan polaritas paling negatif
• Terminal kolektor beberapa volt lebih positif dibandingkan terminal emitornya.
• Terminal basis lebih positif 0,7 V (atau sedikit lebih besar dari nilai ini ) daripada terminal emitornya.

Dengan kondisi-kondisi ini, kita dapatkan mengetahui bahwa :

• Arus yang relatif kecil mengalir menuju basis.
• Arus dengan nilai yang jauh lebih besar mengalir menuju kolektor.
• Arus basis dan arus kolektor mengalir keluar dari transistor melalui emitor.

Diagram dibawah ini mengilustrasikan arah aliran ketiga arus diatas :

Arus basis digambarkan dengan panah yang lebih tipis karena nilai arus ini jauh lebih kecil dibandingkan arus kolektor dan arus emitor.

Saklar transistor

Percobaan diatas memperlihatkan salah satu dari dua kegunaan terpenting transistor. Arus basis yang sangat kecil dapat mesaklarkan arus kolektor yang berukuran jauh lebih besar. Kita menyebutkan konfigurasi semacam ini sebagai saklar transistor. Sebagai contoh, kita dapat menggunakan arus kecil yang mengalir melewati sebuah sensor LDR untuk menyampaikan arus yang relatif lebih besar ke sebuah lampu filamen.

Berikut ini adalah rangkaian yang digunakan:

Bagian sensor LDR diatas terdiri dari sebuah rangkaian pembagi tegangan yang dibentuk oleh VR1 dan LDR. Sebuah resistor variabel digunakan agar penyambungan arus dapat diatur oleh tingkat intensitas cahaya yang berbeda. Bagian saklar transistor terdiri dari resistor R1 dan transistor Q1. R1 akan membatasi besarnya arus yang diterima dari rangkaian pembagi tegangan. Arus yang menuju terminal kolektor Q1 datang via lampu LP1, dan besarnya sekitar 60 mA.

Ketika LDR berada dibawah penerangan ruangan yang normal, VR1 harus diatur sedemikian rupa sehingga cahaya LDR padam. Ketika LDR ditempatkan dibawah bayang-bayang, nilai tahanannya akan semakin bertambah. Hal ini akan mengakibatkan kenaikan tegangan pada LDR. Kenaikan teganagan LDR akan menyebabkan kenaikan tegangan pada wiper VR1. Arus yang lebih besar akan mengalir menuju terminal basis Q1. Sebagai akibatnya, arus lebih besar juga akan mengalir melewati LP1  dan menuju terminal kolektor Q1. Lampu akan menyala.

Cara kerja transistor

Komponen pasif dan komponen aktif

Komponen-komponen elektronika terbagi kedalam 2 jenis yaitu pasif dan aktif. Komponen-komponen pasif tidak dapat mengakibatkan kenaikan daya listrik didalam rangkaian. Contoh-contoh komponen semacam ini adalah resistor, kapasitor, dan induktor. Resistor memiliki kemampuan untuk mengkonversikan energi listrik menjadi panas. Induktor mampu mengkonversikan energi listrik menjadi gaya magnetik. Akan tetapi, tidak satupun diantara kedua komponen ini yang mampu menimbulkan penambahan daya didalam rangkaian. Komponen-komponen ini adalah komponen pasif. Sebaliknya, sebuah transistor menerima input daya-rendah (arus kecil) dan mengkonversikannya menjadi output daya-tinggi (arus besar). Transistor adalah komponen aktif. Energi yang dibutuhkan oleh komponen-komponen aktif ini diperoleh dari pasokan listrik ke rangkaian.

Perubahan-perubahan arus dan tegangan

Percobaan dibawah mengkaji secara lebih mendalam mengenai berbagai arus dan tegangan didalam sebuah rangkaian saklar transistor.

Cara kerja transistor

Hasil yang anda dapatkan dari percobaan diatas dapat memperlihatkan sedikit perbedaan dari hasil yang ditampilkan disini, tergantung pada jenis transistor yang anda gunakan. Dengan sebuah transistor tipikal, grafik arus kolektor versus arus basis akan terlihat sebagaimana berikut ini :

Terdapat sebuah hubungan linear (garis lurus) antara arus basis dengan arus basis dengan arus kolektor. Dengan ini :

Arus kolektor secara langsung berbanding lurus dengan arus basis.

Kita dapat mengetahui satu hal lain yang cukup menarik dari kurva grafik ini. Kita dapat menandai satu bagian dari kurva tersebut untuk mengukur perubahan arus basis. Bagian kurva yang ditandai dimulai dari titik 20 µA sampai berakhir pada 30 µA. Kedua nilai ini mengindikasikan perubahan sebesar 10 µA. Pada bagian kurva yang sama, arus kolektor berubah dari 2,5 mA menjadi 3,5 mA, yang mengindikasikan perubahan sebesar 1 mA (1000 µA). Dengan menyamakan satuan untuk semua nilai arus ini menjadi mikroamp, kita dapat mengatakan bahwa perubahan sebesar 10 µA pada arus basis akan mengakibatkan perubahan arus kolektor sebesar 1000 µA. Perubahan arus kolektor 100 kali lebih besar dari perubahan arus basis. Merangkumkan hal ini dalam bentuk kata-kata, kita dapat menyatakan bahwa :

Gain (perolehan) arus yang dihasilkan transistor adalah 100.

Gain arus ini biasanya disebut sebagai gain arus sinyal kecil, dan besaran ini direpresentasikan dengan simbol hfe. Grafik tegangan basis-emitor versus arus basis akan terlihat sebagai berikut :

Dengan memperhatikan skala pada sumbu-y, kita dapat mengetahui bahwa tegangan antara basis dan emitor dimulai pada nilai yang sedikit lebih kecil dari 0,7 V dan  berakhir pada 0,7 V. Sebagai pendekatan, kita dapat mengatakan bahwa :

Tegangan basis-emitor selalu mendekati 0,7 V.

Pada kenyataannya, tegangan ini sama dengan satu kali nilai jatuh tegangan dioda, karena proses yang terjadi diantara terminal basis dan terminal emitor adalah setara dengan proses bias maju dioda. Tegangan kolektor dan emitor akan mengalami perubahan sebagaimana berikut ini:

Seiring dengan bertambahnya arus basis, arus kolektor juga bertambah besar, tegangan pada resistor beban ini pun mengalami kenaikan (Hukum Ohm). Tegangan pada salah satu ujung R3 bernilai konstan 10V, yaitu tegangan sumber. Tegangan pada ujung lain resistor ini (ujung yang terhubung ke kolektor Q1)  akan jatuh. Grafik memperlihatkan jatuhnya nilai tegangan pada terminal kolektor Q1. Tegangan ini jatuh secara tetap hingga nilainya hanya sedikit lebih besar dari nol. Pada titik ini, tegangan tidak dapat jatuh lebih lagi karena kolektor hanya sedikit lebih positif dari emitor, dan transistor tidak dapat bekerja apabila tegangan kolektor turun dibawah nilai ini. Kita katakan bahwa transistor berada dalam keadaan saturasi atau jenuh. Kita dapat mengatakan bahwa transistor telah mencapai titik terendahnya. Pada rangkaian ini, transistor mengalami saturasi ketika arus basis bernilai sekitar 37 µA. Dari grafik arus kolektor vs arus basis, kita dapat melihat bahwa ketika arus basis mencapai nilai ini, arus kolektor tidak bergerak naik lebih jauh lagi (kurvanya mendatar). Arus kolektor tidak lagi bertambah secara proposional (sebanding) terhadap pertambahan arus basis.

Rangkaian saklar transistor

Rangkaian saklar transistor memanfaatkan fitur terpenting dari sebuah transistor BJT-gain. Terdapat lebih dari satu definisi untuk gain, namun disini kita akan menggunakan istilah lain untuk merujuk pada gain arus sinyal kecil (small signal current gain), hfe. Gain tidak memiliki satuan. Gain hanyalah sebuah bilangan, karena besaran ini merupakan hasil dari pembagian arus dengan arus. Gain sebuah transistor BJT yang tipikal adalah 100. Rangkaian dibawah ini digunakan untuk memperlihatkan dan menjelaskan secara sederhana. Konsep gain transistor:

Kesimpulannya:

• Pastikan bahwa tidak terdapat hubungan apapun antara A dan B.
• Sambungkan catu daya ke rangkaian. Dalam keadaan ini, LED seharusnya tidak menyala.
• Sentuhkan jari anda ke A dan B secara sekaligus untuk menjembatani celah diantara keduanya (namun jangan membuat kedua kontak ini bersentuhan satu sama lain).
• LED akan menyala. ! anda mungkin tidak dapat melihatnya namun jika anda berada diruang gelap maka cahaya tersebut mungkin akan terlihat.
• Perkiraan berapa besar arus yang mengalir melewati permukaan ujung jari anda.

Transistor daya

Transistor BJT daya rendah, semisal BC548, sangat cocok untuk digunakan sebagai saklar arus LED dan lampu-lampu filamen kecil. Jenis transistor ini memiliki rating arus kolektor hingga 100 mA. Banyak perangkat lainnya semisal motor-motor DC dan lampu-lampu yang lebih terang, membutuhkan arus yang jauh lebih besar dari nilai ini. Untuk menyambungkan arus pada level ini, kita membutuhkan transistot-transistor daya menengah atau daya tinggi. 

Transistor BJT daya-tinggi yang diperlihatkan dalam foto disebelah samping mampu melewatkan arus hingga 10 A. Sebagaimana halnya semua transistor lainnya, transistor ini memiliki tiga kaki terminal. Salah satu kendala yang dihadapi dengan listrik daya tinggi adalah bahwa sebagian dari daya yang digunakan akan hilang sebagai panas. Dengan arus sebesar berapa ampere, panas yang dihasilkan dapat menjadi sedemikian besar hingga merusak BJT. Untuk menghindari terjadinya hal semacam ini, kita harus memasang sebuah heat sink (alat penghubung panas) pada tag yang terdapat dibagian atas badan transistor. Piranti heat sink ini akan membuang panas ke lingkungan sekitar. Sebuah heat sink dapat dibuat dari bahan logam (biasanya alumunium) yang mampu mengalirkan panas ke lingkungan sekitar. Sebagian besar heat sink dibuat dengan bentuk sirip-sirip tipis, sehingga memungkinkan arus konveksi yang ada diudara menarik panas dari permukaan sirip. Selain itu, heat sink pada umumnya diberi warna hitam legam agar dapat meradiasikan panas secara efisien. Sebuah pasta yang terbuat dari bahan konduktor khusus dilapisi pada permukaan heat sink yang bersentuhan langsung dengan bagian tag. Akan tetapi, sebuah transistor pada umumnya tidak membutuhkan heat sink ketika berada dalam keadaan yang sepenuhnya ‘mati’ (tidak ada arus mengalir) atau sepenuhnya ‘hidup’ (saturasi). Ketika transistor mengalami saturasi, tahanan listrik terhadap arus kolektor sangat kecil. Tahanan yang sangat kecil ini hanya mengakibatkan timbulnya rugi-rugi daya menjadi panas yang sangat sedikit.

Catatan :

P=I²R. Karena R bernilai sangat kecil, maka P juga sengat kecil.

Merancang sebuah saklar

Kita membutuhkan rangkaian yang dapat menyalakan LED ketika cahaya dari lingkungan sekitar mulai meredup. Rangkaian ini boleh jadi merupakan satu bagian dari sebuah sistem keamanan, yang berfungsi untuk mendeteksi datangnya tamu tak diundang. Diagram sistem untuk rangkaian ini memperlihatkan tiga bagian (atau tahapan) yang tipikal:

Bagian sensor cahaya dapat berupa sebuah rangkaian pembagi tegangan, yang terdiri dari LDR dan sebuah resistor. Arus output dari sensor mengalir ke bagian saklar transistor yang tersambung ke sebuah resistor basis. Bagian ini berfungsi untuk menyambungkan arus ke sebuah LED dan ke sebuah resistor lainnya yang terhubung seri ke LED. Diagram rangkaian selengkapnya lihat digambar sebelah. 

R1 dan LDR (R2) disusun dalam konfigurasi yang sedemikian rupa sehingga tegangan pada titik A akan naik ketika LDR menerima lebih sedikit cahaya. Sumber listrik yang digunakan adalah PSU plug in 6V, karena rangkaian akan bekerja siang-malam. Sensor yang digunakan adalah piranti sensor populer tipe ORP12, yang memang banyak tersedia pasaran.

sebuah LED tipikal membutuhkan arus sebesar 20 mA dalam keadaan menyala. Sebuah transistor daya-rendah semisal BC548 dapat menyambungkan arus hingga 100 mA, dan oleh karenanya kita akan memilih tipe ini untuk transistor Q1. Ketika Q1 berada dalam keadaan saturasi, akan terdapat tegangan sebesar hampir 6 V pada D1 dan R4. Jatuh tegangan maju pada dioda akan mencapai hampir 2 V, sehingga kita membutuhkan jatuh tegangan sebesar 4V pada R4. Hukum Ohm menggariskan bahwa tahanan R4 harus bernilai 4V  dibagi 20 mA, yaitu 200 W. Dengan menggunakan multimeter, kita dapat mengetahui bahwa tahanan R2 dibawah cahaya yang redup (tingkat intensitas untuk kondisi LED-HIDUP) adalah 1,3 kW. Untuk mengatifkan Q1, kita membutuhkan tegangan lebih dari 1 V pada titik A. Sedikit perhitungan dan rujukan ke nilai-nilai tahanan dalam seri E24 akan memperlihatkan bahwa apabila R1 adalah 3,9 kW, maka tegangan pada A adalah 1,5 V. Nilai tegangan ini memberikan cukup ruang untuk toleransi resistor.

Ketika Q1 berada dalam keadaan aktif (saturasi), tegangan pada A adalah 1,5 V (sebagaimana perhitungan diatas) dan tegangan pada basis adalah 0,7 V. Jatuh tegangan pada R3 adalah 0,8 V. Apabila gain Q1 adalah 100, arus basis yang diperlukan adalah (20 mA) / 100, atau 200 mA. Dengan demikian, tahanan R3 haruslah bernilai sebesar 0,8 V dibagi dengan 200 mA, yang adalah 4 kW. Nilai E24 yang terdekat dengan tahanan ini adalah 3,9 kW. Berikut ini adalah diagram yang memperlihatkan rancangan akhir dari rangkaian saklar transistor, yang disertakan nilai-nilai kritis untuk tegangan dan arus.

Transistor efek medan

Komponen-komponen ini lebih dikenal sebagai FET, yang merupakan singkatan dari namanya (Field Effects Transistor). Komponen-komponen ini adalah komponen jenis aktif, dan dikelompokkan ke dalam beberapa tipe, antaranya adalah junction FET (JFET) yang dahulu sangat banyak digunakan. Dewasa ini, beragam bentuk dan ukuran FET silikon oksida logam (metal oxide silicon FET). n-kanal (MOSFET n-kanal) sangat banyak tersedia dipasaran dan, bersama dengan BJT, adalah tipe transistor yang paling dominan digunakan. Saya hanya akan membahas MOSFET didalam artikel ini dan merujuknya dengan istilah FET. Terdapat FET-FET untuk aplikasi-aplikasi daya rendah, daya menengah, dan daya tinggi yang kesemuanya memiliki kesamaan yang menyerupai BJT. Foto disebelah samping memperlihatkan sebuah FET daya-tinggi yang tipikal. Bentuk kemasan FET ini sangat mirip dengan kemasan BJT daya tinggi yang ditampilkan pada gambar disamping, namun foto ini memperlihatkan sisi sebaliknya dari transistor yang bersangkutan.

Kita dapat melihat bahwa tag logam yang ada dibagian atas badan transistor memanjang ke bawah hingga menutupi sebagian badan transistor. Ini menyebabkan daerah yang cukup besar pada badan transistor terhubung  langsung ke heat sink yang terpasang pada tag. Ini juga berarti bahwa bagian tag terhubung langsung ke transistor sesungguhnya yang berada didalam piranti ini. Foto diatas juga memperlihatkan bahwa FET memiliki 3 buah terminal. Terminal-terminak ini dinamakan sebagai source (sumber), drain (buangan), gate (gerbang). Ketiga terminal ini dapat disetarakan dengan terminal-terminal emitor, kolektor, dan basis pada sebuah BJT, namun terdapat beberapa perbedaan yang cukup penting. Perbedaan terpenting, dari sudut pandang praktis, antara kedua kelompok ini adalah hampir tidak ada arus yang mengalir menuju terminal gate sebuah FET. Pada penggunaan normalnya, FET disambungkan didalam rangkaian dengan cara yang sama sebagaimana halnya sebuah BJT. Terminal source adalah terminal yang paling negatif dan terminal drain adalah yang paling positif. Ketika tegangan positif diberikan ke terminal gate, arus, yang disebut sebagai arus drain, akan mengalir masuk melewati terminal drain dan keluar melalui terminal source. Pembahasan akan dikaji lebih dalam pada bagian berikutnya.

Cara kerja transistor

FET dapat dipergunakan untuk membentuk sebuah rangkaian saklar transistor, sebagaimana diperlihatkan pada gambar berikut ini:

Transistor akan menyambungkan arus ke beban ketika suhu jatuh dibawah suatu titik yang telah ditetapkan. Transistor diaktifkan oleh tegangan output  dari bagian rangkaian pembagi tegangan. Seiring dengan jatuhnya suhu, tahanan R2 akan bertambah besar. Ketika tegangan pada R2 melebihi tegangan ambang FET, transistor mulai bekerja. Nilai tegangan ambang FET cukup beragam, bergantung pada jenis FET yang bersangkutan, namun pada umumnya berkisar antara 2V hingga 4V.

Ketika tegangan ambang FET dilampui, penambahan tegangan selanjutnya dengan cepat akan mengakibatkan transistor mengalami saturasi. Berikut ini adalah grafik untuk arus drain (ID) yang melewati beban 100Ω vs tegangan gate-source (VGS):

Setelah melampaui teganga ambang FET (2V), kenaikan VCS akan mengakibatkan arus bertambah dengan sangat cepat. 

Sekian artikel tentang Transistor, Silahkan baca artikel kami lainnya di peralatanelektromedik.com terima kasih sobat elektromedis yang sudah membaca artikel kami semoga bermanfaat.