Rangkaian Transistor sebagai Sakelar
Sakelar transistor dapat digunakan untuk menghidupkan atau mematikan perangkat DC tegangan rendah (misal. LED) dengan menggunakan transistor dalam keadaan jenuh atau terputus. Ketika digunakan sebagai penguat sinyal AC, tegangan biasing base transistor diterapkan sedemikian rupa sehingga selalu beroperasi dalam wilayah "aktif"-nya, yang merupakan bagian linier dari kurva karakteristik output yang digunakan.
Namun, baik Transistor Bipolar jenis NPN dan PNP dapat dibuat beroperasi sebagai sakelar solid state “ON/OFF” dengan membiaskan terminal Base transistor secara berbeda dengan untuk penguat sinyal.
Sakelar solid state adalah salah satu aplikasi utama untuk penggunaan transistor untuk mengalihkan output DC "ON" atau "OFF". Beberapa perangkat output, seperti LED hanya memerlukan beberapa miliamp pada level logika tegangan DC dan oleh karena itu dapat digerakkan secara langsung oleh output gerbang logika. Namun, perangkat daya tinggi seperti motor, solenoida atau lampu, sering membutuhkan lebih banyak daya daripada yang disupply oleh gerbang logika biasa sehingga sakelar transistor digunakan.
Jika rangkaian menggunakan Transistor Bipolar sebagai Sakelar, maka biasing dari transistor, baik transistor NPN atau transistor PNP diatur untuk mengoperasikan transistor di kedua sisi kurva karakteristik "I-V" yang telah kita lihat sebelumnya.
Area operasi untuk sakelar transistor dikenal sebagai Wilayah Saturasi dan Wilayah Cut-off. Ini berarti bahwa kita dapat mengabaikan biasing titik-Q operasi dan rangkaian pembagi tegangan yang diperlukan untuk amplifikasi, dan menggunakan transistor sebagai sakelar dengan menggerakkannya bolak-balik antara "sepenuhnya-OFF" (cut-off) dan sepenuhnya- ON (saturasi) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Daerah yang diarsir merah muda di bagian bawah kurva melambangkan daerah "Cut-off" sementara daerah biru di sebelah kiri mewakili daerah "Saturasi" dari transistor. Kedua wilayah transistor ini didefinisikan sebagai:
Kemudian kita dapat mendefinisikan "wilayah cut-off" atau "mode OFF" saat menggunakan transistor bipolar sebagai sakelar, kedua persimpangan (junction) reverse bias, VB <0.7v dan IC = 0. Untuk transistor PNP, potensi Emitter harus negatif terhadap Base.
Kemudian kita dapat mendefinisikan "wilayah saturasi" atau "mode ON" ketika menggunakan transistor bipolar sebagai sakelar, kedua persimpangan (junction) forward maju, VB > 0.7v dan IC = Maksimum. Untuk transistor PNP, potensi Emitter harus positif sehubungan dengan Base.
Kemudian transistor beroperasi sebagai sakelar solid state "single-pole single-throw" (SPST). Dengan sinyal nol diterapkan pada Base transistor, ternyata "OFF" bertindak seperti Sakelar terbuka dan arus Collector nol mengalir. Dengan sinyal positif yang diterapkan ke Base transistor, ternyata "ON" bertindak seperti Sakelar tertutup dan arus rangkaian maksimum mengalir melalui perangkat.
Cara paling sederhana untuk beralih daya dalam jumlah sedang ke tinggi adalah dengan menggunakan transistor dengan output Collector terbuka dan terminal transistor Emitter yang terhubung langsung ke ground.
Ketika digunakan dengan cara ini, output Collector terbuka transistor dapat "menenggelamkan/sink" tegangan yang disupply eksternal ke ground dengan demikian mengendalikan setiap beban yang terhubung.
Contoh Transistor NPN sebagai Sakelar yang digunakan untuk mengoperasikan relay diberikan di bawah ini. Dengan beban induktif seperti relay atau solenoida, dioda freewheel ditempatkan di seberang beban untuk membuang GGL-balik yang dihasilkan oleh beban induktif ketika transistor beralih "OFF" dan karenanya melindungi transistor dari kerusakan.
Jika beban memiliki sifat arus atau tegangan yang sangat tinggi, seperti motor, pemanas dll, maka arus beban dapat dikontrol melalui relai yang sesuai seperti yang ditunjukkan.
Transistor NPN. Rangkaian diatas menyerupai rangkaian Common Emitter yang kami lihat pada tutorial sebelumnya. Perbedaannya kali ini adalah bahwa untuk mengoperasikan transistor sebagai sakelar, transistor perlu dimatikan sepenuhnya "OFF" (cut-off) atau sepenuhnya "ON" (saturasi).
Sakelar transistor yang ideal akan memiliki resistansi rangkaian tak terbatas antara Collector dan Emitter ketika diputar "sepenuhnya-OFF" yang menghasilkan arus nol yang mengalir melaluinya dan resistansi nol antara Collector dan Emitter ketika dinyalakan "sepenuhnya-ON", menghasilkan aliran arus maksimum.
Dalam prakteknya ketika transistor dihidupkan "OFF", arus kebocoran kecil mengalir melalui transistor dan ketika sepenuhnya "ON" perangkat memiliki nilai resistansi rendah yang menyebabkan tegangan saturasi kecil ( VCE ) melintasinya. Meskipun transistor bukan sakelar yang sempurna, baik di daerah cut-off dan saturasi daya yang dihabiskan oleh transistor adalah minimum.
Agar arus Base mengalir, terminal input Base harus dibuat lebih positif daripada Emitter dengan meningkatkannya di atas 0.7 volt yang diperlukan untuk perangkat silikon. Dengan memvariasikan tegangan Base-Emitter VBE ini, arus Base juga diubah dan yang pada gilirannya mengontrol jumlah arus Collector yang mengalir melalui transistor seperti yang telah dibahas sebelumnya.
Ketika arus Collector maksimum mengalir, transistor dikatakan Saturasi/Jenuh. Nilai dari resistor Base menentukan berapa banyak tegangan input yang diperlukan dan arus Base yang sesuai untuk mengganti transistor sepenuhnya “ON”.
Namun, baik Transistor Bipolar jenis NPN dan PNP dapat dibuat beroperasi sebagai sakelar solid state “ON/OFF” dengan membiaskan terminal Base transistor secara berbeda dengan untuk penguat sinyal.
Sakelar solid state adalah salah satu aplikasi utama untuk penggunaan transistor untuk mengalihkan output DC "ON" atau "OFF". Beberapa perangkat output, seperti LED hanya memerlukan beberapa miliamp pada level logika tegangan DC dan oleh karena itu dapat digerakkan secara langsung oleh output gerbang logika. Namun, perangkat daya tinggi seperti motor, solenoida atau lampu, sering membutuhkan lebih banyak daya daripada yang disupply oleh gerbang logika biasa sehingga sakelar transistor digunakan.
Jika rangkaian menggunakan Transistor Bipolar sebagai Sakelar, maka biasing dari transistor, baik transistor NPN atau transistor PNP diatur untuk mengoperasikan transistor di kedua sisi kurva karakteristik "I-V" yang telah kita lihat sebelumnya.
Area operasi untuk sakelar transistor dikenal sebagai Wilayah Saturasi dan Wilayah Cut-off. Ini berarti bahwa kita dapat mengabaikan biasing titik-Q operasi dan rangkaian pembagi tegangan yang diperlukan untuk amplifikasi, dan menggunakan transistor sebagai sakelar dengan menggerakkannya bolak-balik antara "sepenuhnya-OFF" (cut-off) dan sepenuhnya- ON (saturasi) seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Wilayah Operasi
Daerah yang diarsir merah muda di bagian bawah kurva melambangkan daerah "Cut-off" sementara daerah biru di sebelah kiri mewakili daerah "Saturasi" dari transistor. Kedua wilayah transistor ini didefinisikan sebagai:
1. Wilayah Cut-off
Di sini kondisi operasi transistor adalah arus input Base nol ( IB ), arus output Collector nol ( IC ) dan tegangan Collector maksimum ( VCE ) yang menghasilkan lapisan penipisan yang besar dan tidak ada arus yang mengalir melalui perangkat. Oleh karena itu, transistor diaktifkan "Sepenuhnya-OFF".Karakteristik Cut-off
Kemudian kita dapat mendefinisikan "wilayah cut-off" atau "mode OFF" saat menggunakan transistor bipolar sebagai sakelar, kedua persimpangan (junction) reverse bias, VB <0.7v dan IC = 0. Untuk transistor PNP, potensi Emitter harus negatif terhadap Base.
2. Wilayah Kejenuhan (Saturasi)
Di sini transistor akan menjadi bias sehingga jumlah arus Base maksimum yang diterapkan, menghasilkan arus Collector maksimum yang menghasilkan penurunan tegangan Emitter Collector minimum yang menghasilkan lapisan penipisan sekecil mungkin dan arus maksimum mengalir melalui transistor. Oleh karena itu transistor diaktifkan "Sepenuhnya-ON".Karakteristik saturasi
Kemudian kita dapat mendefinisikan "wilayah saturasi" atau "mode ON" ketika menggunakan transistor bipolar sebagai sakelar, kedua persimpangan (junction) forward maju, VB > 0.7v dan IC = Maksimum. Untuk transistor PNP, potensi Emitter harus positif sehubungan dengan Base.
Kemudian transistor beroperasi sebagai sakelar solid state "single-pole single-throw" (SPST). Dengan sinyal nol diterapkan pada Base transistor, ternyata "OFF" bertindak seperti Sakelar terbuka dan arus Collector nol mengalir. Dengan sinyal positif yang diterapkan ke Base transistor, ternyata "ON" bertindak seperti Sakelar tertutup dan arus rangkaian maksimum mengalir melalui perangkat.
Cara paling sederhana untuk beralih daya dalam jumlah sedang ke tinggi adalah dengan menggunakan transistor dengan output Collector terbuka dan terminal transistor Emitter yang terhubung langsung ke ground.
Ketika digunakan dengan cara ini, output Collector terbuka transistor dapat "menenggelamkan/sink" tegangan yang disupply eksternal ke ground dengan demikian mengendalikan setiap beban yang terhubung.
Contoh Transistor NPN sebagai Sakelar yang digunakan untuk mengoperasikan relay diberikan di bawah ini. Dengan beban induktif seperti relay atau solenoida, dioda freewheel ditempatkan di seberang beban untuk membuang GGL-balik yang dihasilkan oleh beban induktif ketika transistor beralih "OFF" dan karenanya melindungi transistor dari kerusakan.
Jika beban memiliki sifat arus atau tegangan yang sangat tinggi, seperti motor, pemanas dll, maka arus beban dapat dikontrol melalui relai yang sesuai seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Dasar Transistor NPN sebagai Sakelar
Transistor NPN. Rangkaian diatas menyerupai rangkaian Common Emitter yang kami lihat pada tutorial sebelumnya. Perbedaannya kali ini adalah bahwa untuk mengoperasikan transistor sebagai sakelar, transistor perlu dimatikan sepenuhnya "OFF" (cut-off) atau sepenuhnya "ON" (saturasi).
Sakelar transistor yang ideal akan memiliki resistansi rangkaian tak terbatas antara Collector dan Emitter ketika diputar "sepenuhnya-OFF" yang menghasilkan arus nol yang mengalir melaluinya dan resistansi nol antara Collector dan Emitter ketika dinyalakan "sepenuhnya-ON", menghasilkan aliran arus maksimum.
Dalam prakteknya ketika transistor dihidupkan "OFF", arus kebocoran kecil mengalir melalui transistor dan ketika sepenuhnya "ON" perangkat memiliki nilai resistansi rendah yang menyebabkan tegangan saturasi kecil ( VCE ) melintasinya. Meskipun transistor bukan sakelar yang sempurna, baik di daerah cut-off dan saturasi daya yang dihabiskan oleh transistor adalah minimum.
Agar arus Base mengalir, terminal input Base harus dibuat lebih positif daripada Emitter dengan meningkatkannya di atas 0.7 volt yang diperlukan untuk perangkat silikon. Dengan memvariasikan tegangan Base-Emitter VBE ini, arus Base juga diubah dan yang pada gilirannya mengontrol jumlah arus Collector yang mengalir melalui transistor seperti yang telah dibahas sebelumnya.
Ketika arus Collector maksimum mengalir, transistor dikatakan Saturasi/Jenuh. Nilai dari resistor Base menentukan berapa banyak tegangan input yang diperlukan dan arus Base yang sesuai untuk mengganti transistor sepenuhnya “ON”.
Contoh: Transistor sebagai Sakelar No.1
Dengan menggunakan nilai-nilai transistor dari tutorial sebelumnya: β = 200, Ic = 4mA dan Ib = 20uA, cari nilai resistor Base ( Rb ) yang diperlukan untuk mengalihkan beban sepenuhnya "ON" ketika tegangan terminal input melebihi 2.5v.
Nilai pilihan terendah berikutnya adalah: 82 kΩ, ini menjamin sakelar transistor selalu jenuh.
Contoh: Transistor sebagai Sakelar No.2
Sekali lagi menggunakan nilai yang sama, cari arus Base minimum yang diperlukan untuk mengubah transistor “sepenuhnya-ON” (jenuh) untuk beban yang membutuhkan arus 200mA saat tegangan input dinaikkan menjadi 5.0V. Hitung juga nilai baru dari Rb.
Arus Base Transistor:
Resistansi Base Transistor:
Transistor Sakelar digunakan untuk berbagai aplikasi seperti menghubungkan arus besar atau perangkat tegangan tinggi seperti motor, relai atau lampu ke IC digital tegangan rendah atau gerbang logika seperti gerbang AND atau gerbang OR. Di sini, output dari gerbang logika digital hanya +5v tetapi perangkat yang akan dikontrol mungkin memerlukan supply 12 atau bahkan 24 volt.
Atau beban seperti Motor DC mungkin perlu dikontrol kecepatannya menggunakan serangkaian pulsa (Modulasi Lebar Pulsa). Sakelar transistor akan memungkinkan kita untuk melakukan ini lebih cepat dan lebih mudah daripada dengan sakelar mekanis konvensional.
Atau beban seperti Motor DC mungkin perlu dikontrol kecepatannya menggunakan serangkaian pulsa (Modulasi Lebar Pulsa). Sakelar transistor akan memungkinkan kita untuk melakukan ini lebih cepat dan lebih mudah daripada dengan sakelar mekanis konvensional.
Sakelar Transistor Logika Digital
Resistor base, Rb diperlukan untuk membatasi arus output dari gerbang logika.
Sakelar Transistor PNP
Kita juga dapat menggunakan Transistor PNP sebagai sakelar, perbedaan kali ini adalah bahwa beban terhubung ke ground (0v) dan transistor PNP mengalihkan daya ke sana. Untuk menghidupkan transistor PNP yang beroperasi sebagai Sakelar “ON”, terminal Base terhubung ke ground atau nol volt (RENDAH) seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Sakelar Transistor PNP
Persamaan untuk menghitung resistansi Base, arus Collector, dan tegangan persis sama dengan untuk sakelar transistor NPN sebelumnya. Perbedaannya kali ini adalah bahwa kita beralih daya dengan transistor PNP (sumber arus) alih-alih beralih dengan transistor NPN (sinking current).
Transistor Darlington sebagai Sakelar
Kadang-kadang gain arus DC dari transistor bipolar terlalu rendah untuk secara langsung mengalihkan arus atau tegangan beban, sehingga beberapa transistor sakelar digunakan. Di sini, satu transistor input kecil digunakan untuk beralih "ON" atau "OFF" yang jauh lebih besar saat menangani output transistor.
Untuk memaksimalkan penguatan sinyal, kedua transistor terhubung dalam "Complementary Gain Compounding Configuration" atau yang lebih umum disebut " Konfigurasi Darlington " karena faktor amplifikasi adalah hasil dari dua transistor individual.
Untuk memaksimalkan penguatan sinyal, kedua transistor terhubung dalam "Complementary Gain Compounding Configuration" atau yang lebih umum disebut " Konfigurasi Darlington " karena faktor amplifikasi adalah hasil dari dua transistor individual.
Transistor Darlington hanya berisi dua bipolar individu NPN atau transistor tipe PNP yang dihubungkan bersama sehingga gain arus dari transistor pertama dikalikan dengan gain arus dari transistor kedua untuk menghasilkan perangkat yang bertindak seperti transistor tunggal dengan arus yang sangat tinggi gain arus untuk arus Base yang jauh lebih kecil.
Keseluruhan gain arus Beta (β) atau nilai hfe dari perangkat Darlington adalah hasil dari dua gain individual dari transistor dan diberikan sebagai:
Keseluruhan gain arus Beta (β) atau nilai hfe dari perangkat Darlington adalah hasil dari dua gain individual dari transistor dan diberikan sebagai:
βTOTAL = β1 x β2
Jadi Darlington Transistor dengan nilai β sangat tinggi dan arus Collector tinggi dimungkinkan dibandingkan dengan sakelar transistor tunggal. Misalnya, jika transistor input pertama memiliki gain arus 100 dan transistor Sakelar kedua memiliki gain 50, maka total gain arus akan 100*50 = 5000.
Jadi misalnya, jika arus beban kami dari atas adalah 200mA, maka arus base darlington hanya 200mA/5000 = 40uA. Pengurangan besar dari 1mA sebelumnya untuk satu transistor.
Jadi misalnya, jika arus beban kami dari atas adalah 200mA, maka arus base darlington hanya 200mA/5000 = 40uA. Pengurangan besar dari 1mA sebelumnya untuk satu transistor.
Contoh dari dua tipe dasar konfigurasi transistor Darlington diberikan di bawah ini.
Konfigurasi Transistor Darlington sebagai Sakelar
Konfigurasi sakelar transistor NPN Darlington di atas menunjukkan Collector dari dua transistor yang terhubung bersama dengan Emitter dari transistor pertama yang terhubung ke terminal Base dari transistor kedua karena itu, arus Emitter dari transistor pertama menjadi arus Base dari perpindahan transistor kedua itu "ON".
Transistor pertama atau “input” menerima sinyal input ke Base-nya. Transistor ini memperkuatnya dengan cara biasa dan menggunakannya untuk menggerakkan transistor "output" kedua yang lebih besar. Transistor kedua memperkuat sinyal lagi sehingga menghasilkan gain arus yang sangat tinggi. Salah satu karakteristik utama Transistor Darlington adalah perolehan arusnya yang tinggi dibandingkan dengan transistor bipolar tunggal.
Selain kemampuan beralih arus dan tegangan yang tinggi, keunggulan lain dari "Sakelar Transistor Darlington" adalah kecepatan beralihnya yang tinggi sehingga ideal untuk digunakan di rangkaian inverter, rangkaian pencahayaan, dan aplikasi Motor DC atau kontrol Motor Stepper.
Satu perbedaan yang perlu dipertimbangkan ketika menggunakan transistor Darlington pada tipe bipolar tunggal konvensional ketika menggunakan transistor sebagai sakelar adalah bahwa tegangan input Base-Emitter ( VBE ) harus lebih tinggi sekitar 1.4V untuk perangkat silikon, karena sambungan seri dari dua PN-junction.
Ringkasan Transistor sebagai Sakelar
Kemudian untuk meringkas saat menggunakan Transistor sebagai Sakelar, ketentuan berikut berlaku:
- Sakelar transistor dapat digunakan untuk beralih dan mengontrol lampu, relai, atau bahkan motor.
- Saat menggunakan transistor bipolar sebagai Sakelar, mereka harus "sepenuhnya-OFF" atau "sepenuhnya-ON".
- Transistor yang sepenuhnya "ON" dikatakan berada di wilayah Saturasi mereka.
- Transistor yang sepenuhnya "OFF" dikatakan berada di wilayah Cut-off mereka.
- Saat menggunakan transistor sebagai sakelar, arus Base kecil mengontrol arus beban Collector yang jauh lebih besar.
- Saat menggunakan transistor untuk mengalihkan beban induktif seperti relai dan solenoida, "Dioda Freewheel" digunakan.
- Ketika arus atau tegangan besar perlu dikontrol, Transistor Darlington dapat digunakan.
Dalam tutorial berikutnya tentang Transistor, kita akan melihat operasi transistor efek medan junction yang dikenal sebagai transistor JFET. Kami juga akan memplot kurva karakteristik output yang biasanya terkait dengan rangkaian penguat JFET sebagai fungsi dari tegangan Sumber ke tegangan Gerbang.