MODUL 05 TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH Hafizh Al Fikry (18014044) Asisten: Muhammad Arief Ma'ruf Nasution Nasution /13212024 Tanggal Percobaan: 14 April 2016 EL2205-Praktikum Elektronika Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB
Abstrak Pada percobaan ini, akan ditentukan fungsi transistor sebagai switch. Percobaan pertama akan digunakan konfigurasi switch dengan transistor BJT dan relay (lampu). Kemudian pada percobaan selanjutnya, akan digunakan transistor FET bertipe NMOS yang nantinya diamati dengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop. Pada percobaan terakhir, masih digunakan transistor FET, namun konfigurasi switch yang digunakan adalah konfigurasi CMOS, pada percobaan ini pula, dilakukan pengamatan dengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop.
Kata kunci: transistor, switch, BJT, FET. 1.
Pendahuluan
Salah satu fungsi transistor adalah sebagai switch atau sakelar. Baik jenis BJT maupun FET, keduanya dapat digunakan sebagai sakelar. Sakelar yang ideal harus memiliki karakteristik saat ON, sakelar tersebut tidak memiliki tegangan drop, kemudian saat OFF, sakelar tersebut tidak dapat dilalui arus sama sekali. Penggunaan transistor FET sebagai switch lebih unggul dibandingkan penggunaan transistor BJT sebagai switch dikarenakan FET menggunakan arus yang sangat kecil untuk operasinya. Setelah melakukan mahasiswa dapat:
percobaan,
diharapkan
a.
mengetahui dan mempelajari fungsi transistor sebagai switch
b.
mengetahui dan mempelajari karakteristik kerja transistor BJT ketika beroperasi sebagai sakelar
c.
mengetahui dan mempelajari karakteristik kerja transistor MOSFET baik bertipe n-MOS maupun CMOS ketika beroperasi sebagai sakelar.
Pada transistor ini, arus yang dihasilkan/dikontrol dari Drain (analogi dengan Kolektor pada BJT), dilakukan oleh tegangan antara Gate dan Source (analogi dengan Base dan Emitter pada BJT). Bandingkan dengan arus pada Base yang digunakan untuk menghasilkan arus kolektor pada transistor BJT. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus. Transistor FET memiliki beberapa jenis, diantaranya adalah JFET dan MOSFET. PAda praktikum ini digunakan transistor MOSFET, meskipun pada dasarnya sifat dari JFET dan MOSFET adalah serupa. Karakteristik umum dari transistor MOSFET dapat digambarkan pada kurva yang dibagi menjadi dua, yaitu kurva karakteristik I D vs VGS dan kurva karakteristik ID vs VDS. Kurva karakteristik ID vs VGS diperlihatkan pada gambar berikut. Pada gambar tersebut terlihat bahwa terdapat VGS minimum yang menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan tersebut dinamakan tegangan threshold, V t. Pada MOSFET tipe depletion, Vt adalah negatif, sedangkan pada tipe enhancement, V t adalah positif.
2. Studi Pustaka
2.1 FET (Field Effect Transistor) Transistor FET adalah transistor yang bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Mekanisme kerja transistor ini berbeda dengan transistor BJT.
Gambar 1 Kurva ID vs VGS
=
1−
dengan IC merupakan arus kolektor, lalu IB merupakan arus basis, arus emitor I E, kemudian α merupakan penguatan arus DC untuk common basis, dan β merupakan penguatan arus DC untuk common emitter.
2.3 BJT sebagai Switch
Gambar 2 Kurva ID vs VDS
Pada kurva I D vs VDS, dapat dilihat daerah kerja transistor, yaitu daerah saturasi, trioda, dan cut-off.
Komponen transistor dapat berfungsi sebagai switch, walaupun bukan sebagai switch ideal. Untuk dapat berfungsi sebagai switch, maka titik kerja transistor harus dapat berpindah – pindah dari daerah saturasi (switch ON) ke daerah cut-off (switch OFF).
2.2 BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR ) BJT atau transistor bipolar, terdiri atas dua jenis, bergantung pada susunan bahan yang digunakan, yaitu PNP dan NPN. Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditunjukkan oleh gambar:
Gambar 5 Daerah Kerja BJT
2.4 MOSFET SEBAGAI S WITCH
Gambar 3 Transistor BJT NPN
Selain BJT, MOSFET juga dapat berfungsi sebagai switch. Dibandingkan dengan BJT, sifat switch dari MOSFET juga lebih unggul karena membutuhkan arus yang sangat kecil untuk operasinya. Ada dua tipe MOSFET menurut tegangan kerjanya yaitu n-Channel MOSFET (n-MOS) dan p-Channel MOSFET (p-MOS). Dimana nMOS bekerja dengan memberikan tegangan positif pada gate, dan sebaliknya, p-MOS bekerja dengan memberikan tegangan negatif pada gate. Transistor n-MOS berlaku sebagai switch dengan membuatnya bekerja di sekitar daerah saturasinya.
Gambar 4 Transistor BJT PNP
Persamaan matematis pada transistor: = =
sehingga, =
+1
Gambar 6 Daerah Kerja n-MOS
Jika n-MOS dan p-MOS digabungkan, akan dihasilkan rangkaian CMOS (Complementary MOS) yang ditunjukkan oleh gambar berikut ini. Untuk memperlakukan CMOS supaya bekerja sebagai switch, kita harus mengubah – ubah daerah kerjanya antara cut-off dan saturasi.
Rangkaian disusun seperti pada gambar 8. Tegangan V CC diatur 12 V, kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai VCE awal dicatat .
•
•
1
•
•
2
Rvar diputar untuk menaikkan tegangan di Base hingga lampu menyala kemudian tepat saat lampu menyala, dicatat nilai I B, IC, VBE, VCE. Tegangan di Base dinaikkan lagi kemudian dicatat nilai IC dan IB untuk tiga nilai setelah lampu menyala hingga Rvar maksimum.
Gambar 7 Rangkaian CMOS
3. Metodologi
3.1 Alat dan Komponen yang Digunakan a.
Sumber Tegangan DC
b.
Osiloskop
c.
Multimeter Digital
d.
Multimeter Analog
e.
Kit Transistor sebagai Switch
f.
Kabel-Kabel
Rvar diputar untuk menurunkan tegangan sampai lampu padam, kemudian nilai I B, IC, VBE, VCE dicatat. Langkah diulangi untuk V CC lainnya dan kurva digambar .
•
3
•
3.2 Langkah-Langkah Percobaan a.
Diagram 5.1 BJT Switch
Gambar 8 Rangkaian Percobaan BJT Switch
b.
Diagram 5.2 MOSFET Switch
Rangkaian disusun seperti pada gambar 9. Tegangan V DD diatur 5 V, kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai VDS dan ID awal dicatat .
•
•
1
•
•
2
Rvar diputar untuk menaikkan tegangan di Gate hingga terlihat ada arus di Drain (ID), dicatat nilai IG, ID, VGS, VDS. Langkah diulangi untuk V DD lainnya (jangan melebihi 12 V) dan kurva digambar.
Gambar 10 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch
c.
•
•
•
3
Diagram 5.3 CMOS Switch
Tegangan VDD diatur 5 V, kemudian generator sinyal digunakan sebagai Vin dan diatur ke gelombang segitiga dengan amplitudo di posisi 0 - 5 V. Osiloskop dihubungkan, kanal 1 untuk Vin dan kanal 2 untuk V out, kemudian digunakan mode XY untuk pengamatan, dan kurva digambar serta tegangan threshold ditentukan.
Rangkaian disusun seperti pada gambar 11. Tegangan V DD diatur 5 V, kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai Vout, IS, dan ID awal dicatat .
•
Rangkaian disusun seperti pada gambar 10.
•
1
•
•
2 •
•
•
3
•
•
4 Gambar 9 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch
Rvar diputar untuk menaikkan tegangan di Gate hingga terlihat ada arus di Drain (ID), dicatat nilai IG, IS, ID, VGS, V DS. Rvar diputar terus (menaikkan V GS) untuk beberapa nilai, kemudian dicatat IG, I S, ID, VGS, VDS dan digambar kurva VGS - Vout. Langkah diulangi untuk V DD = 10 V.
Rangkaian disusun seperti pada gambar 12. Tegangan VDD diatur 5 V, kemudian generator sinyal digunakan sebagai Vin dan diatur ke gelombang segitiga dengan amplitudo di posisi 0 - 5 V.
Osiloskop dihubungkan, kanal 1 untuk Vin dan kanal 2 untuk V out1, kemudian digunakan mode XY untuk pengamatan, dan kurva digambar serta tegangan threshold ditentukan.
Hubungan Vout1 dari osiloskop dilepas, kemudian dihubungkan ke Vout2 , dan diamati pada mode XY, lalu kurva digambar.
0.06
22.43
9
0.604
9.79
Tepat Padam
0.19
9
Awal
0.798
0.826
Tepat Nyala
1.38
82.8
1.62
86.1
On
2.28
88.8
On
3.72
89.2
On
0.08
25.76
6
0.647
6.48
Tepat Padam
0.126
6
Awal
Lampu tidak pernah menyala
Gambar 11 Rangkaian Percobaan CMOS Switch
3
0.063
3
Awal
Lampu tidak pernah menyala Rvar minimum = 2.178 kΩ Rvar maksimum = 101.1 kΩ Analisis : Dari data tabel diperoleh bahwa kondisi awal (Rvar minimum) nilai tegangan VBE tidaklah nol, hal ini dikarenakan oleh adanya nilai hambatan sebesar 2.178 kΩ pada saat nilai Rvar paling kecil.
Gambar 12 Rangkaian Percobaan CMOS Switch
4. Hasil dan Analisis
4.1 BJT Switch Vcc (V)
IB (mA)
IC (mA)
12
VBE (V)
VCE (V)
Kondisi Lampu
0.25
12
Awal
0.671
4.18
Tepat Nyala
0.74
81.6
1.51
99.4
On
3.1
117.5
On
5.11
121.2
On
Lampu digunakan sebagai indikator switch, saat switch ON maka lampu menyala, sebaliknya saat lampu mati, switch dalam keadaan OFF. Pada kondisi awal lampu masih dalam keadaan mati dikarenakan oleh switch yang masih dalam keadaan OFF (transistor masih berada dalam daerah kerja cut-off). Tepat saat lampu menyala, transistor mulai memasuki daerah saturasinya, yang artinya switch ON. Dapat dilihat nilai VBE saat lampu tepat menyala berada di antara 0.67 – 0.8 V yang memang nilai VBE ON transistor berada pada kisaran itu (sekitar 0.7 V). Kemudian, seiring dengan naiknya nilai IC maka nilai tegangan V CE pun turun. Keadaan transistor yang berada pada daerah saturasinya juga ditunjukkan dengan nilai βforce yang berkisar 20 – 40, lebih kecil bila dibandingkan dengan nilai β yang pada umumnya berkisar antara 100 – 200. Pada saat Rvar diputar balik sampai lampu OFF, maka saat lampu OFF, transistor memasuki daerah kerja cut-off. Hal ini terlihat dari nilai VBE yang lebih kecil dari 0.67 V (V BE ON).
Pada nilai tegangan VCC 3 V dan 6 V lampu tidak akan pernah menyala meskipun Rvar diputar sampai maksimal, hal ini dikarenakan transistor tidak pernah mencapai daerah kerja saturasinya.
4 3.5 3
4.2 n-MOS Switch A.
VDD (V)
IG
5
0
0
0
0.01
6
7.5
9
2.5
Multimeter ID (mA)
VDD =5V
) V (
VGS (V)
1.834
VDS (V)
Kondisi
5
Awal
4.98
Tepat ada arus ID
0
0.6
2.605
3.62
0
1
2.899
2.758
0
0
0
0.01
0
VDD =6V
1.5
VDD =9V
1 0.5 0 0
0.5
1
1.5
2
ID (mA)
Gambar 13 Kurva VGS vs ID
6
Awal
1.818
5.90
Tepat ada arus ID
0.6
2.693
4.63
0
1
2.878
3.75
0
0
0
0.01
0
0
0
0.01
0
7.5
Awal
7.42
Tepat ada arus ID
9
Awal
1.825
8.92
Tepat ada arus ID
0.05
1.963
8.80
0
0.6
2.582
7.60
0
1
2.852
6.76
1.818
2
S G
V
Analisis : Dapat dilihat dari kurva bahwa besarnya nilai V DD tidak mempengaruhi bentuk kurva karena dari nilai VDD yang ada, semuanya hampir terlihat berimpitan. Dari tabel dan kurva, diperoleh bahwa adanya arus pertama pada drain (I D = 0.01 mA) selalu nilai VGS berada pada rentang 1.8 V, itu artinya tegangan threshold (Vt) transistor n-MOS tersebut berada di kisaran 1.8 V. B.
Osiloskop
Gambar 14 Kurva V out vs Vin
Analisis : Nilai Vin merupakan representasi dari nilai VGS sedangkan Vout merupakan representasi dari nilai VDS sehingga dari hal tersebut diperoleh bahwa untuk nilai Vin (VGS) di mana kurva pertama kali berbelok, merupakan nilai tegangan threshold transistor n-MOSnya, dan dari kurva, dapat dilihat bahwa nilai tegangan threshold transistor nMOSnya berkisar pada 1.8 V. Dapat dilihat pula
dari gambar bahwa transistor akan bekerja sebagai switch saat di daerah saturasinya (dalam kurva daerah saturasi transistor diwakili oleh daerah yang dibatasi garis merah). tepat pada saat nilai VGS berada pada tegangan thresholdnya (garis merah pertama), transistor mulai masuk daerah saturasinya, sampai pada garis merah kedua, di mana nilai VGS ≈ 3.5 V dan nilai VDS ≈ 1.7 V yang merupakan batas daerah saturasi dan daerah trioda transistor. Kemudian, nilai tegangan threshold dari switch Vth berada pada kisaran 2.8 V, sedikit lebih besar dari perhitungan yaitu 0.5 × VDD = 2.5 V. Perbedaan ini dikarenakan ketidakidealan transistor yang digunakan.
VD D
(V)
IS (mA )
0
0.01
0.1
0.25
0.003 5
Kondisi awal saat V CC=5V, IS=ID=0 dan Vout =5V Kondisi awal saat V CC=10V, IS=ID=0 dan Vout =10V 6 5 4 ) V ( t
3
u o
ID (mA )
VGS (V)
VD S
Vout (V)
(V)
1 0 0
5
8.17
2
Multimeter IG (mA )
0.01
V
4.2 CMOS Switch A.
0.01
0.01
0.1
0.25
1.82 5
5
0.5
1
1.5 2 VGS(V)
4.98
2.5
3
3.5
Gambar 5.15 Kurva Vout vs VGS dengan V DD = 5 V
2.05 2
4.91
2.27 2
4.73
0.5 0.45 0.4 0.35 0.3
0.45
0.45
2.49 5
1.345
) A0.25 m ( D 0.2 I
0.25
0.25
2.73 1
0.120 1
0.15
2.95 6
0.041 5
3.17 5
0.009 6
0.1 0.05
0.1
0.01
10
0
0.1
0.01
0.01
0.01
1.85 0
10
9.99
1
1
2.81 3
9.77
3
3
3.73
9.14
5.93
5.93
4.86
2.614
3
3
6.11
0.375
1
1
7.15
0.010 1
0 -0.05 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
VGS(V) Gambar 5.16 Kurva ID vs VGS dengan VDD = 5 V
3.5
12 10 8 ) 6 V ( t u o
V4
2 0 0
2
-2
4
6
8
VGS(V)
Gambar 19 Kurva VDS vs VGS dengan VDD = 5 V
Gambar 5.17 Kurva V out vs VGS dengan V DD = 10 V
7 6 5 4
) A m3 ( D I
2 1 0
-1
0
2
4
6
8
VGS(V) Gambar 20 Kurva VS vs VGS dengan V DD = 5 V
Gambar 18 Kurva ID vs VGS dengan V DD = 10 V
Analisis : Dapat dilihat bahwa tidak ada perbedaan yang signifikan dari segi bentuk kurva baik dengan penggunaan VDD = 5 V maupun 10 V, hanya range nilainya saja yang berubah. Dapat dilihat dari gambar, baik dengan VDD = 5 V maupun 10 V, nilai tegangan VGS saat kurva berbelok pertama kali (tegangan threshold n-MOS) berkisar pada 1.8 V. Pada kurva I D vs VGS, saat tegangan VGS memasuki nilai tegangan threshold n-MOSnya, kurva mulai naik sampai ke suatu titik puncak untuk kemudian kembali turun meskipun nilai VGS bertambah. Nilai puncak itu berada pada saat V GS ≈ 0.5 × VDD. Nilai VGS di mana ID mencapai nilai puncak tersebut dinamakan tegangan threshold switch (Vth). Jika salah satu transistor dalam kondisi OFF, maka switch OFF. Saat kedua transistor berada pada kondisi saturasi, maka arus yang dapat dilalui oleh sistem adalah yang paling besar. B.
Osiloskop
Analisis : Dari kedua kurva dapat diperoleh bahwa nilai tegangan threshold transistor n-MOSnya berada pada 1.8 V. Kemudian, kondisi di mana transistor p-MOS dan n-MOS berada dalam kondisi saturasi (garis merah) maka sistem melewatkan arus I S = ID yang paling besar (ditandai dengan tegangan V S yang paling besar). Kondisi di mana kedua transistor dalam keadaan saturasi berada pada tegangan Vth = VGS = 2.8 V, tidak jauh berbeda dari formula Vth = VGS = 0.5 × V DD = 2.5 V. Ketidakidealan diakibatkan transistor yang digunakan bukan transistor ideal. 5. Kesimpulan
Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa: a.
Transistor dapat beroperasi sebagai switch, caranya adalah dengan mengatur tegangan biasnya. Transistor BJT berfungsi sebagai switch jika berada dalam daerah kerja cut-off (switch OFF) dan dalam daerah kerja saturasi (switch ON). Transistor MOSFET bertipe n-
MOS bekerja sebagai switch pada daerah kerja saturasi (switch ON) dan daerah cut-off (switch OFF) sementara pada daerah triodanya, transistor bisa dikatakan bekerja setengah-ON. Pada konfigurasi CMOS, switch ON adalah saat kedua transistor berada pada daerah saturasinya, sementara switch OFF adalah pada saat salah satu transistor berada pada kondisi OFF (daerah cut-off). b.
Karakteristik kerja transistor BJT sebagai switch adalah, saat switch ON, transistor berada pada daerah kerja saturasi, sementara pada saat switch OFF, transistor berada pada daerah kerja cut-off.
c.
Karakteristik kerja transistor MOSFET sebagai switch adalah: Pada tipe n-MOS switch, saat tegangan GateSource memasuki nilai thresholdnya, transistor mulai memasuki mode ON, artinya transistor mulai memasuki daerah saturasinya. Saat nilai tegangan Gate-Sourcenya lebih kecil dari nilai tegangan thresholdnya, switch dalam kondisi OFF atau transistor berada pada daerah kerja cut-off. Saat transistor memasuki daerah triodanya, atau tegangan pada Drain-Source lebih kecil daripada tegangan Gate-Source dikurangi tegangan thresholdnya (disebut juga tegangan overdrive) masih ada arus yang dapat dilewatkan oleh transistor meski lebih kecil daripada saat transistor dalam daerah kerja saturasinya sehingga dapat dikatakan transistor berada dalam kondisi setengah-ON. Pada konfigurasi CMOS, switch ON ketika kedua transistor berada dalam daerah kerja saturasi. Pada saat nilai tegangan Gate-Source sama dengan setengah dari tegangan power supply, maka arus yang dapat dilewatkan switch adalah arus yang paling besar. Sementara itu, jika salah satu transistor berada dalam kondisi OFF, maka switch CMOS ini juga dalam kondisi OFF. 6. Daftar Pustaka
[1]
Hutabarat, Mervin T., Praktikum Elektronika , Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2016.
[2]
http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET, April 2016, pukul 21.50.
[3]
http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junctio n_transistor, 15 April 2016, pukul 21.55.
[4]
http://www.electronicstutorials.ws/transistor/tran_7.html, 15 April 2016, pukul 22.10.
15
[5]
http://electronics.stackexchange.com/questi ons/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-insaturation, 15 April 2016, pukul 22.35.
[6]
Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, Microelectronic Circuits , Oxford University Press, USA, 1997.
