Transistor: Cara Kerjanya, dan Cara Memakainya sebagai Saklar serta Penguat

Transistor adalah perangkat semikonduktor dengan tiga terminal. Arus atau tegangan kecil pada satu terminal mengendalikan arus yang jauh lebih besar di antara dua terminal lainnya. Gagasan tunggal ini menjadikan transistor dasar dari penguat, saklar, dan hampir setiap chip digital. Artikel ini menjelaskan cara kerja transistor bipolar junction (BJT), cara membaca pin dan kemasannya, cara membiasnya, cara menghitung resistor basis untuk saklar, cara memakainya sebagai penguat sederhana, cara menggerakkan beban dari mikrokontroler, dan apa yang perlu diperiksa sebelum memakainya.

Yang Anda butuhkan

Anda sebaiknya memahami hukum Ohm, artikel LED dan resistor di situs ini, serta cara menghitung daya. Baterai 9 V atau catu daya USB 5 V, transistor NPN seperti tipe sinyal kecil serbaguna, beberapa resistor, sebuah LED, dan multimeter sudah cukup untuk mencoba contohnya. Selalu periksa urutan pin pada datasheet untuk komponen Anda sebelum menyambungkannya, karena kemasan dengan bentuk yang sama bisa memiliki susunan pin yang berbeda.

Ilustrasi

Topik 1: Apa yang dilakukan transistor

Transistor bipolar junction memiliki tiga lapisan silikon terdoping yang membentuk dua junction. Ketiga terminalnya adalah basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Untuk transistor NPN, arus kecil yang masuk ke basis memungkinkan arus yang jauh lebih besar mengalir dari kolektor ke emitor. Transistor PNP bekerja dengan cara yang sama, tetapi polaritas dan arah arusnya dibalik.

Penguatan arus

Perbandingan arus kolektor terhadap arus basis disebut penguatan arus, ditulis β (beta) atau hFE. Transistor NPN sinyal kecil yang umum memiliki penguatan sekitar 100 sampai 300. Jadi arus basis 0,1 mA dapat mengendalikan arus kolektor sekitar 10 mA. Penguatan berbeda-beda antar komponen dan berubah menurut suhu serta arus, sehingga rangkaian tidak boleh bergantung pada nilai yang tepat.

Tegangan basis-emitor

Transistor silikon mulai menghantar ketika basis sekitar 0,6 sampai 0,7 V lebih tinggi daripada emitor. Di bawah tegangan itu hampir tidak ada arus yang masuk ke basis, dan transistor dalam keadaan mati. Setelah menghantar, tegangan basis-emitor tetap dekat 0,7 V, itulah sebabnya resistor basis diperlukan untuk mengatur arusnya.

Dua cara pemakaian

Transistor dapat dijalankan di dua daerah. Di daerah linear ia bertindak sebagai penguat, dengan arus kolektor sebanding dengan arus basis. Dalam keadaan saturasi atau cut-off ia bertindak sebagai saklar, sepenuhnya menyala dengan tegangan hampir nol di antara terminalnya, atau sepenuhnya mati tanpa arus. Sebagian besar rangkaian praktis memakainya sebagai saklar atau sebagai penguat linear, tetapi tidak keduanya pada saat yang sama.

Topik 2: Kemasan, pin, dan polaritas

Transistor hadir dalam banyak kemasan. Bentuknya menunjukkan seberapa besar daya yang bisa ditangani komponen dan cara pemasangannya, tetapi urutan pin tidak sama untuk setiap kemasan. Selalu baca urutan pin dari datasheet dan tanda pada komponen, bukan dari bentuknya.

Kemasan sinyal kecil

TO-92 adalah komponen plastik kecil berwarna hitam atau biru dengan tiga kaki, umum untuk pekerjaan berdaya rendah. SOT-23 dan SOT-223 adalah komponen surface-mount yang disolder rata di papan. Label pada foto TO-92 menunjukkan E, B, C dari kiri ke kanan dengan sisi rata menghadap Anda, yang merupakan susunan pin umum untuk jenis ini, tetapi komponen lain bisa berbeda.

Kemasan daya

TO-220 adalah komponen plastik dengan tab logam yang dibaut ke heatsink. TO-247 adalah versi yang lebih besar untuk daya lebih tinggi. TO-3 dan TO-39 berupa kaleng logam, dan badan logamnya sering menjadi kolektor. Transistor daya yang tidak dipasang pada heatsink akan cepat panas, bahkan pada arus sedang.

Membaca pin

Periksa datasheet untuk urutan pin sebelum menyolder atau menyambung kabel apa pun. Pada foto, komponen TO-247 diberi label B, C, E dari kiri ke kanan dengan bagian depan menghadap Anda, yang berbeda dari urutan TO-92. Menyambungkan pin dengan urutan yang salah paling tidak tidak akan berfungsi, dan paling buruk akan merusak komponen.

Topik 3: Membias transistor

Membias berarti mengatur arus basis agar transistor berada di daerah yang Anda inginkan. Resistor basis menetapkan arus ini, dan resistor yang sama menentukan apakah transistor menyala penuh atau tetap menyala sebagian.

Resistor basis

Arus basis adalah I_B = (V_in − V_BE) ÷ R_B, dengan V_BE sekitar 0,7 V untuk silikon. Arus basis yang lebih besar mendorong transistor lebih dekat ke saturasi penuh, tetapi arus yang masuk ke basis harus dibatasi. Resistor dari input ke basis menetapkan nilainya.

Saturasi

Untuk menyalakan beban sepenuhnya, arus basis harus cukup besar agar arus kolektor dapat dialirkan dengan tegangan yang sangat kecil di antara transistor. Aturan umum adalah memakai arus basis sekitar sepersepuluh dari arus kolektor. Nilai ini jauh lebih kecil daripada penguatan 100, tetapi memberi margin aman untuk perbedaan antar komponen.

Panas pada transistor

Ketika transistor menyala penuh, tegangan di antaranya (V_CE) kecil, sekitar 0,2 V. Daya yang dibuang adalah V_CE × I_C, jadi 0,2 V pada 100 mA menghasilkan 0,02 W. Di daerah linear, tegangan di antara transistor lebih besar, dan dayanya bisa jauh lebih tinggi, itulah sebabnya mode linear lebih berat bagi komponen.

Topik 4: Menghitung resistor basis untuk saklar

Pemakaian paling sederhana dari transistor adalah sebagai saklar antara beban dan ground. Mikrokontroler atau sinyal logika mengendalikan basis, dan transistor mengalirkan arus beban. Perhitungannya mengikuti beberapa langkah.

Langkah-langkah

Pertama pilih arus beban I_C. Berikutnya pilih arus basis I_B = I_C ÷ 10 agar saturasi terjamin. Lalu hitung R_B = (V_in − 0,7) ÷ I_B. Terakhir pilih nilai standar terdekat yang memberi arus basis setidaknya sebesar itu, dan periksa daya pada resistor.

Mikrokontroler 3,3 V menggerakkan LED

Untuk menyalakan LED yang memerlukan 20 mA, gunakan I_B = 2 mA. R_B = (3,3 − 0,7) ÷ 0,002 = 1.300 Ω. Nilai standar terdekat adalah 1,2 kΩ, yang memberi 2,17 mA. LED dihubungkan dari catu daya ke kolektor melalui resistornya sendiri, sehingga transistor hanya mengalirkan arus LED.

Catu daya 5 V menggerakkan beban 100 mA

Untuk beban 100 mA dari sinyal logika 5 V, gunakan I_B = 10 mA. R_B = (5 − 0,7) ÷ 0,01 = 430 Ω, jadi 470 Ω adalah nilai standar yang aman. Arus kolektor adalah 100 mA dan transistor membuang sekitar 0,02 W saat menyala penuh. Periksa penguatan transistor Anda, dan gunakan nilai 10 atau lebih untuk saturasi paksa.

Topik 5: Transistor sebagai penguat sederhana

Di daerah linear, arus kolektor mengikuti arus basis, sehingga sinyal kecil di basis menjadi sinyal yang lebih besar di kolektor. Inilah prinsip penguat, meskipun penguat praktis memerlukan jaringan bias yang menjaga transistor tetap di daerah linear.

Penguatan

Dengan penguatan arus 100, perubahan arus basis 10 µA menghasilkan perubahan arus kolektor 1 mA. Jika resistor beban 1 kΩ dipasang di kolektor, perubahan tegangannya adalah 1 mA × 1 kΩ = 1 V. Penguatan tegangan bergantung pada hambatan beban dan sifat internal transistor, jadi ini adalah gambaran yang disederhanakan.

Menjaga agar tetap linear

Penguat transistor hanya bekerja jika basisnya dibias pada tegangan yang tepat, sehingga keluarannya berayun ke dua arah tanpa terpotong. Pendekatan umum memakai pembagi tegangan di basis dan resistor di emitor, yang menstabilkan titik kerja terhadap perubahan penguatan dan suhu.

Kapan memakai penguat

Gunakan penguat transistor untuk sinyal lemah, misalnya dari mikrofon atau sensor, sebelum sinyal masuk ke rangkaian yang lebih besar. Untuk mengendalikan beban, transistor hampir selalu dipakai sebagai saklar karena membuang lebih sedikit daya.

Topik 6: Menggerakkan beban dari mikrokontroler

Pin mikrokontroler dapat menyalakan LED kecil secara langsung, tetapi motor, relai, atau lampu memerlukan transistor, MOSFET, atau IC driver. Pin berfungsi sebagai kendali, dan transistor adalah jalur dayanya.

Batas arus pin

Pin mikrokontroler dirancang untuk sekitar 20 mA atau kurang, dan chip memiliki batas arus total. Jaga arus beban jauh di bawah batas ini, dan jangan pernah menggerakkan motor atau koil relai langsung dari pin tanpa transistor.

Dioda flyback untuk beban induktif

Relai atau koil motor menyimpan energi dalam medan magnet, dan ketika transistor mematikannya, koil menghasilkan lonjakan tegangan yang tinggi. Dioda yang dipasang paralel dengan koil, dengan katode ke catu daya positif, menyerap lonjakan itu dan melindungi transistor.

Transistor level logika

Transistor standar memerlukan sekitar 0,7 V di basis dan kadang arus basis yang lebih besar daripada yang bisa diberikan mikrokontroler. MOSFET level logika sering menjadi pilihan yang lebih baik untuk pengendali 3,3 V atau 5 V, karena ia menyala penuh dengan tegangan gerbang yang kecil.

Topik 7: Pengukuran dan kesalahan umum

Kerusakan transistor sering disebabkan oleh pinout yang salah, resistor basis yang hilang, panas berlebih, atau polaritas terbalik. Beberapa pemeriksaan sebelum dan sesudah Anda merakit rangkaian akan mencegah sebagian besar masalah.

Menguji dengan multimeter

Gunakan tes dioda pada setiap pasang pin. Di antara basis dan emitor, serta di antara basis dan kolektor, transistor NPN yang baik menunjukkan tegangan maju sekitar 0,6 sampai 0,7 V ke satu arah dan terbuka ke arah sebaliknya. Transistor yang menunjukkan hubung singkat di kedua arah sudah rusak. Tes ini tidak mengukur penguatan, jadi periksa datasheet jika Anda memerlukannya.

Kesalahan umum

Kesalahan umum meliputi menyambung pin dengan urutan yang salah, lupa memasang resistor basis, memakai transistor PNP padahal yang diperlukan NPN, lupa dioda flyback pada koil, dan memasang transistor daya tanpa heatsink atau pasta termal.

Periksa titik kerja

Setelah merakit rangkaian, ukur tegangan di basis, kolektor, dan emitor. Ketika transistor menyala penuh, tegangan kolektor seharusnya dekat dengan tegangan emitor, dan tegangan basis seharusnya sekitar 0,7 V di atas emitor. Jika angkanya jauh berbeda, periksa dulu pengkabelan dan nilai resistor.

Latihan di papan percobaan

Rakit rangkaian kecil dengan transistor NPN, ukur tegangannya, dan bandingkan dengan perhitungan Anda. Gunakan catu daya 5 V atau 9 V, transistor NPN sinyal kecil, LED, resistor 470 Ω, 1,2 kΩ, dan 10 kΩ, papan percobaan, serta multimeter.

1. Gunakan tes dioda pada transistor untuk menemukan basis, emitor, dan kolektor, lalu periksa tegangan maju antara basis dan emitor.

2. Rakit rangkaian saklar dari artikel ini untuk LED dengan I_B = 2 mA, lalu periksa bahwa LED menyala penuh dan tegangan kolektor dekat 0 V.

3. Ganti resistor basis dengan 10 kΩ dan periksa bahwa LED lebih redup. Jelaskan perubahan itu dengan rumus arus basis.

4. Ukur tegangan basis-emitor saat transistor menyala, lalu bandingkan dengan 0,7 V.

5. Rakit tahap penguat dengan resistor kolektor 1 kΩ, lalu ukur bagaimana tegangan kolektor berubah ketika Anda sedikit mengubah tegangan basis.

Langkah berikutnya

Setelah transistor, pelajari MOSFET, yang dikendalikan oleh tegangan dan menjadi pilihan standar untuk menyalakan motor dan strip LED dengan arus yang lebih besar. Kemudian pelajari operational amplifier dan logika digital, yang juga memakai transistor di dalamnya. Simpan catatan setiap perhitungan, dan periksa datasheet setiap transistor sebelum Anda menyalakan rangkaian.

Ringkasan

Transistor memakai arus basis yang kecil untuk mengendalikan arus kolektor yang lebih besar. Sebagai saklar, ia sepenuhnya menyala atau sepenuhnya mati, dan resistor basisnya dihitung dengan R_B = (V_in − 0,7) ÷ I_B, dengan arus basis sekitar sepersepuluh dari arus kolektor. Sebagai penguat, ia bekerja di daerah linear dengan bias yang tepat. Periksa pinout untuk kemasan Anda, pasang dioda flyback pada koil, dan jaga daya di dalam komponen tetap dalam peringkatnya.