Hal

aman

1

TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH

Praktikan: Nicholas Melky S Sianipar (13206010) Asisten: Eka

Waktu Percobaan: 20 April 2009EL2140 – Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik ElektroSekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB

Abstrak

Pada praktikum ini praktikan mencoba kit praktikum rangkaian percobaan Tansistor Sebagai Switch yang berisi transistor FET, BJT, dan dua buah transistor FET yang memebentuk CMOS. Dengan menggunakan 3 buah multimeter, praktikan dapat memahami dan mengamati karakteristik transistor sebagai switch pada saat karakteristiknya menunjukan perpindahan titik kerja. Dengan mengubah-ubah kondisi rangkaian, seperti tegangan yang akan seperti membuka atau menuntup switch, maka praktikan dapat memahami data-data tersebut pada kurva yang dapat menghasilkan beberapa kesimpulan. Dan juga, praktikan mencoba rangkaian transistor ini dengan menggunakan osiloskop untuk dapat mengamati bagaimana kurva rangkaian apabila diberi suatu input tegangan tertentu.

1. Pendahuluan Pada Praktikum Elektronika EL2140 yang kelima ini, bertujuan agar praktikan dapat melakukan percobaan dan pengamatan secara langsung mengenai komponen elektrik, yaitu transistor. Jenis transistor yang digunakan pada praktikum adalah Field Effect Transistor yang bertipe CD4007UB dan Bipolar Juntion Transistor yang bertipe 2N2222. Adapun tujuan dari percobaan Transistor Sebagai Switch adalah : Mengetahui dan mempelajari fungsi

transistor sebagai switch Mengetahui dan mempelajari

karakteristik kerja Bipolar Junction Transistor ketika beroperasi sebagai saklar

Mengetahui dan mempelajari karakteristik kerja MOS Field‐Effect Transistor baik tipe n‐MOS maupun CMOS ketika beroperasi sebagai saklar

2. Dasar Teori

2.1 Switch IdealSebuah switch ideal harus mempunyai karakteristik pada keadaan “off” ia tidak dapat dilalui arus sama sekali dan pada keadaan “on” ia tidak mempunyai tegangan drop.

2.2 Transistor BJT Sebagai SwitchKomponen 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 dalam keadaan “on”) ke daerah cut‐off (switch dalam keadaan “off”). Untuk jelasnya lihat gambar di bawah ini.Dalam percobaan ini perpindahan titik kerja dilakukan dengan mengubah‐ubah pra‐tegangan (bias) dari emitter‐base.

Gambar 2.2 Daerah Perpindahan Titik Kerja Transistor BJT Sebagai Switch

2.3 MOSFET Sebagai SwitchSelain 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 n‐MOS bekerja dengan memberikan tegangan positif pada gate, dan sebaliknya, p‐MOS bekerja dengan memberikan tegangan negatif di gate.n‐MOS berlaku sebagai switch dengan membuatnya bekerja di sekitar daerah saturasinya. Daerah kerja dari n‐MOS dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 2.3 Daerah Titik Kerja Pada NMOS

Hal

aman

2

2.4 Rangkaian CMOSJika 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.

Gambar 2.4 Daerah Titik Kerja Pada CMOS

3. Metodologi

Gambar 3-1 Metodologi Percobaan

Pada kit praktikum telah tersedia komponen yang akan dilakukan pada percobaan. Praktikan dipermudah karena cukup menghubung-hubungkan komponen tersebut sesuai model rangkaian beserta 3 buah multimeter yang dipakai untuk mengukur arus dan tegangan pada kaki transistor. Power supply disetting besarnya sesuai VCC rangkaian tersebut. Untuk VIN

pada pengukuran menggunakan osiloskop, akan telebih dahulu dilakukan pengukuran tegangan dan frekuensi generator sinyal dengan besar amplitude 0 – 5 V. Adapun peralatan dan komponen yang digunakan dalam percobaan ini adalah sebagai berikut : Sumber tegangan DC Osiloskop Kit Transistor sebagai Switch Multimeter Analog dan Digital Kabel‐kabel

4. Hasil dan Analisis

4.1 Transistor BJT Sebagai Switch

Gambar 4.1-1 Rangkaian Pengukuran BJT Sebagai Switch

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik transistor pada Gambar 4.1-1 dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan Rvar yang mengakibatkan perubahan VBE. Akibat perubahan tersebut, dapat amati perubahan IC, IB, VCE, dan kondisi relay atau lampu. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.1-1 Tabel Pengukuran BJT Sebagai Switch

Vcc

(V)

VBE

(V)

IB

(mA)

Ic(mA

)Keterangan

12

0 00.01

Rvar min, Relay mati,

VCEawal=12.85V0.64

0.1 1.47

Relay nyala, VCE=5.09V

0.67

0.13

26.13

Relay nyala0.7 0.23

31.05

0.737

5.23

31.07

0.622

0 5.07

Relay mati, VCE=10.31V

11

0.667

0.1 20.7

Relay nyala0.7 0.3

327.8

0.725

1.9 27.78

0.74

4.39

27.72

0.628

0 3.96

Relay mati, VCE=9.52V

10 0.63

0 2.19

Relay mati

0.68

0.1 20.95

Relay nyala

0.7 0.17

25.34

0.72

1.61

25.54

0.7 4.2 25.

Rangkai Kit Praktikum

Sesuai Model Rangkaian.

Nyalakan Power Supply Atau

Function Generator Sesuai

Nilai Yang Ditentukan

Posisikan Terminal

Multimeter/Osiloskop Pada Rangakaian

Lakukan Pengamatan dan Pencatatan Data

Hal

aman

3

35 6 50.66

0.02

8.86

Relay mati, VCE=6.52V

9

0.645

0.01

7.45

Relay mati

0.682

0.1 19.73

Relay nyala0.7 0.1

922.99

0.71

0.5 23.04

0.73

3.82

23.13

0.655

0 5.29

Relay mati, VCE=7V

Apabila data karakteristik diatas diproyeksikan dalam sebuah kurva, diperoleh kurva sebagai berikut.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.805

101520253035

Gambar 4.1-2 Kurva VBE –IC Pada VCC yang berbeda-beda

Dari data diatas dapat diketahui bahwa indikator transistor tersebut berada pada keadaan cut-off atau saturasinya adalah ketika Rvar diputar hingga LED menyala. Saat lampu mulai menyala transistor berada dalam keadaan jenuh(saturasi). Kemudian Rvar diputar kebalikan hingga LED kembali padam. Saat LED padam, transistor dalam keadaan cutt-off.Adapun fungsi dari dioda adalah sebagai pengendali arus, sehingga memberi relay tegangan yang membuat relay bekerja. Dilihat dari bentuk rangkaian, Relay yang diparalelkan dengan dioda dapat berfungsi sebagai switch. Relay ini akan bekerja jika terdapat perbedaan tegangan antar kaki relay. Jika kita menginginkan transistor bekerja sebagai switch maka nilai VBE harus positif karena pada saat ini arus akan mengalir dari collector menuju transistor dan relay juga akan berfungsi sebagai switch .Namun sebaliknya pada keadaan reverse bias relay tidak bekerja jadi arus yang menuju VCC akan dialirkan melalui dioda dan relay akan tetap off.Melalui, percobaan tersebut didapat bahwa nilai tegangan base minimum penyebab saturasi adalah 0.67V dan nilai maksimum penyebab transistor cutoff adalah 0.66V. Ketika saturasi, transistor diibaratkan seperti hubung singkat, sehingga arus

kolektor mengalir dari kaki kolektor ke kaki emitor. Sedangkan saat cutoff, transistor diibaratkan seperti hubung terbuka sehingga arus kolektor tidak dapat mengalir dari kaki kolektor ke kaki emitor. Hanya kedua keadaan inilah yang harus dicapai bila ingin mengoperasikan transistor BJT sebagai saklar/switch.

4.2 MOSFET Sebagai Switch (NMOS)

Gambar 4.2-1 Rangkaian NMOS menggunakan multimeter

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik transistor pada Gambar 4.2-1 dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan Rvar yang mengakibatkan perubahan VGS. Akibat perubahan tersebut, dapat amati perubahan ID, IG, dan VDS. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.2-1 Karakteristik Rangakian NMOS pada VDD

tertentu

VDD IG (A) ID (A) VGS

(V)VDS

(V)

6V0 0 0 6.020 0.01 1.68 5.91

7.5V0 0 0 7.510 0.01 1.67 7.40

9V0 0 0 9.010 0.01 1.67 8.91

Apabila data tabel diatas diproyeksikan dalam sebuah kurva, diperoleh kurva sebagai berikut.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

0.0020.0040.0060.0080.01

0.0120.0140.016

Gambar 4.2-2 Kurva VGS –ID Pada VDD yang berbeda-beda

Hal

aman

4

Gambar 4.2-3 Rangkaian NMOS menggunakan olsiloskop

Gambar 4.2-4 Mode XY Pada Osiloskop

Dari kurva diatas dapat diamati bahwa arus ID mengalir VDS disekitar 1.66V. Namun ketika VDS lebih kecil dari 1.5V arus ID sangat kecil dan mendekati nol yang merupakan kondisi cut-off. Karakteristik ini yang digunakan sebagai switch pada NMOS. Namun, dapat diamati perbedaan NMOS dengan BJT adalah nilai IG selalu nol. Ini adalah sifat dari transistor NMOS yang tidak sifat antara kedua keeping seperti kapasitor yang tidak mengalirkan arus DC apapada Gatenya. Untuk itu mempertahankan transistor berada pada daerah kerja transistor saturasi digunakan VDS minimum sebesar 1.66V. Dari gambar diatas garis hampir tegak lurus (seperti karakteristik switch asli). Oleh karena itu, sifat NMOS jauh lebih baik apabila digunakan sebagai switch. Sedangkan pada kurva mode XY pada osiloskop dapat diamati bahwa pada tegangan input (VGS) yang tinggi justru menghasilkan tegangan output (VDS) yang rendah yang merupakan sifat dari transistor NMOS yang biasa digunakan sebagai block gate.

4.3 MOSFET Sebagai Switch (Inverter CMOS)

Gambar 4.3-1 Rangkaian CMOS menggunakan multimeter

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik transistor pada Gambar 4.3-1 dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan Rvar yang mengakibatkan perubahan VGS. Akibat perubahan tersebut, dapat amati perubahan ID, IG, dan VOUT.

Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.2-1 Karakteristik Rangakian NMOS pada VDD

tertentu

Vcc

IG IS ID VGS VDSKeteran

gan

5V

0 0 0 05.07

Rvar minimu

m

0 0.01

0.01

1.654

5.07

0 0.02

0.02

2.27

5.07

0 0.03

0.03

2.4 5.08

10V

0 0 0 010.07

Rvar mnimiu

m

0 0.01

0.01

1.858

10.07

0 0.02

0.02

2.234

10.08

0 0.03

0.03

2.3 10.7

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

0.0050.01

0.0150.02

0.0250.03

0.035

Gambar 4.3-2 Kurva VGS –ID Pada VDD yang berbeda-beda

Hal

aman

5

Gambar 4.3-3 Rangkaian CMOS menggunakan olsiloskop

Gambar 4.3-4 Mode XY Pada Osiloskop

Switch dari transistor ini lebih baik daripada switch dari BJT. Hal ini karena transistor ini dapat bekerja pada daerah dengan arus yang lebih kecil seperti pada kurva diatas.

Pada percobaan yang ketiga akan dilihat bagaimana transistor CMOS (NMOS dan PMOS) bekerja sebagai saklar. Transistor PMOS dan NMOS saling berkebalikan ketika mencapai keadaan on dan off. Berikut ini cara kerja rangkaian CMOS:

Ketika VIN (VGS) mendapat tegangan tinggi PMOS akan off seperti switch yang terbuka, NMOS akan on dengan resistansi RDSN, sehingga nilai tegangan output akan low (Vo=0). Hal ini disebabkan tegangan output diambil dari kaki drain NMOS.Sedangkan ketika Vin (Vgs) mendapat tegangan rendah, PMOS akan akan on

dengan resistansi RDSP, NMOS akan off seperti switch yang terbuka sehingga nilai tegangan output akan ”high”(Vo=VDD). NMOS disebut juga ‘pull down’ divais karena dapat menarik arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran turun menuju nol. PMOS) disebut juga ‘pull up’ divais karena dapat memberikan arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran naik menuju VDD.

Adapun hasil output osiloskop seperti pada Gambar 4.3-4 tampak bahwa ketika tegangan input tinggi maka output tegangan keluaran menjadi rendah, dan berlaku sebaliknya. Hal ini merupakan karakteristik dari blok gate NOT/ Inverter.

5. KesimpulanTransistor dapat berfungsi sebagai switch karena pada saat off arus yang mengalir sangat kecil sedangkan ada saat onnya (saturasi) tegangan drop sangat kecil. Switch akan berada pada posisi on bila transistor ada pada titik kerja saturasi. Switch akan berada pada posisi off bila transistor ada pada titik kerja cut off. Ada 2 jenis transistor, yaitu BJT dan MOSFET. Jika digunakan sebagai switch MOSFET mempunyai keunggulan jika dibanding dengan BJT yaitu arus yang dibutuhkan lebih kecil agar transistor aktif. MOSFET terdiri dari n-MOS dan p-MOS. Jika keduanya digabungkan akan menjadi transistor CMOS.

6. Daftar Pustaka

[1] A. S. Sedra et.al., Microelectronic Circuits 5th Ed, Hal. 377-458, Oxford University Press, New York, 2004

[2] Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum Elektronika EL-2140, Hal 13-24, Laboratorium Dasar Teknik Eletro STEI-ITB, Bandung, 2009

Hal

aman

6

7. Lampiran

Kit EL-2140 'Transistor Sebagai Switch'