Cara Kerja Rangkaian Transistor Sebagai Saklar

Salah satu aplikasi transistor paling umum pada rangkaian elektronik adalah rangkaian transistor sebagai saklar. Singkatnya, sebuah transistor menghantarkan arus melalui kolektor-emitor hanya ketika tegangan diberikan pada base. Ketika tidak ada tegangan base, saklar akan OFF. Ketika tegangan base masih ada, saklar akan ON.

Pada saklar ideal, transistor hanya akan memiliki dua pernyataan: ON atau OFF. Inilah yang akan kita pelajari sebagai cara kerja transistor sebagai saklar. Transistor akan OFF ketika tidak ada tegangan bias atau ketika tegangan bias lebih rendah dari 0.7 V. Saklar akan ON ketika base dalam keadaan saturasi sehingga arus kolektor akan mengalir tanpa hambatan.

Rangkaian Transistor Sebagai Saklar

Gambar di bawah adalah contoh skematik diagram untuk rangkaian yang menggunakan transistor NPN sebagai saklar yang akan menyalakan atau mematikan sebuah LED. Contoh sederhana ini akan menjelaskan prinsip kerja transistor sebagai saklar.

Rangkaian transistor sebagai saklar

Melihat rangkaian ini komponen demi komponen:

  1. LED: Kita akan menggunakan LED biasa 5mm. LED tipe ini memiliki drop tegangan 1.8 V dan memiliki rating arus maksimum sebesar 20 mA.
  2. R1: Resistor 330 Ω ini membatasi arus yang mengalir melalui LED untuk mencegah LED terbakar. Kalian dapat menggunakan Hukum Ohm untuk menghitung jumlah arus yang mengalir setelah dibatasi resistansi rangkaian. Dengan menggunakan sumber tegangan 6 V, tegangan drop LED sebesar 1.8V, tegangan pada R1 adalah 4.2 V (6 - 1.8). Dengan membagi tegangan dengan resistansi, kita peroleh arus sekitar 0.0127 A atau 12 mA, dimana masih dalam batas aman karena LED yang kita gunakan dapat menerima arus hingga 20 mA.
  3. Q1: Ini adalah transistor NPN yang kita gunakan, 2N2222A, tetapi transistor NPN juga dapat digunakan. R1 dan LED terhubung ke kolektor, dan emitor terhubung ke ground. Ketika transistor ON, arus akan mengalir melalui kolektor dan emitor, sehingga menyalakan LED. Ketika transistor OFF, transistor akan berperan sebagai isolator dan LED tidak menyala.
  4. R2: Resistor 1k Ω ini membatasi arus yang masuk ke terminal base transistor. Seperti sebelumnya kita dapat menggunakan Hukum Ohm untuk menghitung arus yang masuk ke base. Karena drop tegangan pada base-emitor sekitar 0.7 V (sama seperti dioda), tegangan pada R2 adalah 5.3 V. Dengan membagi 5.3 dengan 1000 maka arusnya adalah 0.0053 A atau 5.3 mA. Sehingga, arus kolektor (ICE) 12.7 mA dikontrol oleh arus base (IBE) 5.3 mA. Ini adalah salah satu fungsi transistor sebagai saklar.
  5. SW1: Saklar (switch) ini mengontrol arus untuk mengalir ke base atau tidak. Dengan menutup saklar maka arus akan menyebabkan transistor ON sehingga LED menyala.

Mungkin kalian akan bertanya kenapa kita butuh atau ingin untuk memanfaatkan transistor pada rangkaian seperti ini. Kenapa kita tidak menggunakan saklar biasa dan terhubung ke LED. Kalian tentu bisa membuatnya tapi kita akan kehilangan esensi dari transistor yang dapat mengendalikan arus yang besar hanya dengan arus yang kecil.

Pada rangkaian yang lebih rumit, kita membutuhkan arus yang besar untuk menyalakan LED. Dengan menggunakan transistor kita dapat melakukannya hanya dengan arus yang kecil untuk transistor. Disinilah hadir fungsi transistor sebagai saklar.

Cara Kerja Transistor Sebagai Saklar

Berikut adalah cara kerja dan prinsip kerja transistor sebagai saklar. Kita dapat menggunakan transistor NPN atau PNP.

Cara kerja transistor NPN sebagai saklar

Sesuai dengan tegangan yang diberikan pada terminal base sebuah transistor, kita dapat membuatnya beroperasi sebagai saklar. Ketika tegangan mencukupi (Vin > 0.7 V) diberikan antara base dan emitor, tegangan kolektor ke emitor sekitar 0. Maka dari itu, transistor bekerja sebagai short circuit. Arus kolektor Vcc/Rc mengalir melalui transistor.

Mirip dengan itu, ketika tidak ada tegangan atau tegangan bernilai nol digunakan sebagai input, transistor beroperasi pada area cutoff dan bekerja sebagai open circuit. Pada tipe koneksi saklar ini, beban disini (lampu LED) terhubung ke keluaran saklar dengan poin referensi. Jadi ketika transistor berubah jadi ON, arus akan mengalir dari sumber ke ground melalui beban.

Inilah prinsip kerja transistor NPN sebagai saklar

Contoh transistor NPN sebagai saklar

Contoh cara kerja transistor NPN sebagai saklar

Perhatikan contoh di bawah dimana resistansi base Rb = 50k Ω, resistansi kolektor Rc = 0.7k Ω, Vcc = 5 V dan nilai beta adalah 125. Pada input base ada sinyal yang bervariasi antara 0 dan 5 V yang diberikan jadi kita akan melihat output pada kolektor dengan memvariasikan Vi pada dua kondisi, 0 dan 5 V seperti di gambar.

Contoh transistor NPN sebagai saklar
Rumus transistor NPN sebagai saklar

Ic = Vcc/Rc ketika VCE = 0
Ic = 5V/0.7k Ω
Ic = 7.1 mA

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

Dari perhitungan di atas, nilai maksimum atau puncak dari arus kolektor pada rangkaian adalah 7.1 mA ketika Vce setara dengan nol. Dan arus base yang sesuai dengan arus kolektor yang mengalir adalah 56.8 µA. Jadi, jika arus base dinaikkan melebihi 56.8 µA akan membuat transistor bekerja di mode saturasi.

Perhatikan pada kasus ketika nol volt digunakan pada input. Hal ini menyebabkan arus base nol dan emitor grounded, junction emitor base tidak forward bias. Jadi, transistor dalam keadaan OFF dan tegangan keluaran kolektor bernilai 5 V.

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

Perhatikan bahwa tegangan input bernilai 5 V, maka arus base dapat ditentukan dengan menggunakan KVL.

Ketika Vi = 5V
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
Untuk transistor silikon Vbe = 0.7 V

Jadi prinsip kerja transistor sebagai saklar,
Ib = (5V – 0.7V)/ 50K ohm =86 µA dimana lebih besar dari 56.8 µA
Jadi jika arus base lebih besar dari 56.8 µA, transistor akan bekerja di mode saturasi yang mana sepenuhnya ON ketika 5 V diberikan ke input. Jadi output pada kolektor menjadi sekitar nol.

Cara kerja transistor PNP sebagai saklar

Transistor PNP memiliki prinsip kerja transistor sebagai saklar yang sama dengan NPN, tetapi arus mengalir dari base. Tipe saklar ini digunakan untuk konfigurasi ground negatif. Untuk transistor PNP, terminal base selalu bias negatif terhadap emitor. Pada pensaklaran ini, arus base mengalir ketika tegangan base bernilai lebih negatif. Sederhananya tegangan rendah atau tegangan yang lebih negatif menyebabkan transistor menjadi short circuit jika tidak maka akan open circuit atau dengan kata lain dalam keadaan impedansi tinggi.

Pada hubungan ini, beban terhubung ke keluaran pensaklaran transistor dengan sebuah titik referensi. Ketika transistor ON, arus mengalir dari sumber melalui transistor ke beban lalu ke ground.


Transistor PNP sebagai saklar

Contoh cara kerja transistor PNP sebagai saklar

Mirip dengan rangkaian saklar transistor NPN, input rangkaian PNP juga adalah base, tetapi emitor terhubung ke tegangan konstan dan kolektor terhubung ke ground melalui beban seperti gambar di bawah.

Contoh transistor PNP sebagai saklar

Pada konfigurasi ini base akan selalu bias negatif terhadap emitor dengan menghubungkan base pada bagian negatif dan emitor pada bagian positif supply input. Jadi tegangan VBE bernilai negatif dan tegangan supply emitor terhadap kolektor adalah positif (VCE positif).
Jadi, konduksi emitor harus lebih positif terhadap kolektor dan base. Dengan kata lain, base harus lebih negatif terhadap emitor.

Untuk menghitung arus base dan kolektor, persamaan berikut akan digunakan.

Rumus transistor PNP sebagai saklar
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
Ib = Ic / β 

Perhatikan contoh di atas bahwa beban membutuhkan 100 mA dan transistor memiliki nilai beta 100. Jadi arus yang dibutuhkan untuk transistor saturasi adalah

Arus base minimum = arus kolektor / β
= 100 mA / 100
= 1 mA

Jadi, ketika arus base adalah 1 mA, transistor akan sepenuhnya ON. Tetapi dalam praktik 30% lebih arus dibutuhkan untuk menjamin transistor bekerja dalam mode saturasi. Jadi dalam contoh ini, arus base yang dibutuhkan adalah 1.3 mA.

Contoh Fungsi Transistor Sebagai Saklar

Perhatikan contoh umum aplikasi transistor sebagai saklar berikut.

Fungsi transistor sebagai saklar pengatur LED

Seperti yang didiskusikan sebelumnya bahwa transistor dapat digunakan sebagai sebuah saklar. Skematik di bawah menunjukkan bagaimana transistor beroperasi sebagai saklar untuk mengatur Light Emitting Diode (LED).

  • Ketika saklar pada terminal base open, tidak ada arus yang mengalir ke base jadi transistor dalam keadaan cutoff. Jadi, rangkaian bekerja sebagai open circuit dan LED dalam keadaan OFF.
  • Ketika saklar closed, arus base mulai mengalir melalui transistor dan masuk ke mode saturasi yang menyebabkan LED menyala (ON).
  • Resistor digunakan untuk membatasi arus yang mengalir melalui base dan LED. Hal ini juga mungkin untuk memvariasi tingkat keterangan LED dengan memvariasi resistansi pada arus base.

Transistor untuk mengatur LED

Fungsi rangkaian transistor sebagai saklar relay

Hal ini juga mungkin dilakukan untuk mengontrol operasi relay dengan rangkaian transistor. Dengan rangkaian sederhana dengan transistor dapat mengaktifkan coil pada relay sehingga beban eksternal yang terhubung dapat dikontrol.

  • Perhatikan rangkaian di bawah untuk memahami rangkaian transistor sebagai saklar relay. Input diberikan ke base yang menyebabkan transistor bekerja di area saturasi, yang mana menyebabkan rangkaian menjadi short circuit. Sehingga coil relay mendapat energi dan kontak relay bekerja.
  • Pada beban induktif, contohnya switching motor dan induktor, penghilangan daya tiba - tiba dapat menyebabkan potensial yang tinggi pada coil. Tegangan tinggi ini dapat menyebabkan kerusakan pada rangkaian. Oleh karena itu, kita menggunakan dioda dihubung paralel dengan beban induktif untuk melindungi rangkaian dari induksi tegangan pada beban induktif.

Rangkaian transistor sebagai saklar relay

Fungsi rangkaian transistor untuk mengendalikan motor

Rangkaian transistor juga dapat mengendalikan motor.

  • Transistor dapat mengendalikan dan mengatur kecepatan motor DC dengan cara searah melalui pensaklaran transistor dalam interval waktu seperti gambar di bawah.
  • Seperti yang dijelaskan di atas, motor DC juga merupakan beban induktif sehingga kita harus menggunakan dioda freewheeling untuk melindungi rangkaian.
  • Dengan merubah transistor ke mode cut off dan saturasi kita dapat mengatur ON dan OFF motor berkali-kali.
  • Juga memungkinkan untuk mengatur kecepatan motor melalui pengaturan frekuensi pensaklaran. Kita dapat memanfaatkan mikrokontroler untuk melakukan ini.

Transistor untuk mengendalikan motor

Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel