MODUL 05 TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH MODUL 05 TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH
Hafizh Al Fikry (18014044) Hafizh Al Fikry (18014044)
Asisten: Muhammad Arief Ma'ruf Nasu
Asisten: Muhammad Arief Ma'ruf Nasution /13212024tion /13212024 Tanggal Percobaan: 14 April 2016
Tanggal Percobaan: 14 April 2016 EL2205-Praktikum Elektronika EL2205-Praktikum Elektronika
Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB
Abstrak Abstrak
Pada percobaan ini, akan ditentukan fungsi transistor sebagai Pada percobaan ini, akan ditentukan fungsi transistor sebagai switch. Percobaan pertama akan digunakan konfigurasi switch switch. Percobaan pertama akan digunakan konfigurasi switch dengan transistor BJT dan relay (lampu). Kemudian pada dengan transistor BJT dan relay (lampu). Kemudian pada percobaan
percobaan selanjutnya, selanjutnya, akan akan digunakan digunakan transistor transistor FETFET bertipe NMOS yang nantinya diamati dengan metode bertipe NMOS yang nantinya diamati dengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop. Pada percobaan multimeter dan dengan metode osiloskop. Pada percobaan terakhir, masih digunakan transistor FET, namun terakhir, masih digunakan transistor FET, namun konfigurasi switch yang digunakan adalah konfigurasi konfigurasi switch yang digunakan adalah konfigurasi CMOS, pada percobaan ini pula, dilakukan pengamatan CMOS, pada percobaan ini pula, dilakukan pengamatan dengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop. dengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop. Kata kunci: transistor, switch, BJT, FET.
Kata kunci: transistor, switch, BJT, FET. 1.
1. PendahuluanPendahuluan
Salah satu fungsi transistor adalah sebagai switch Salah satu fungsi transistor adalah sebagai switch atau sakelar. Baik jenis BJT maupun FET, keduanya atau sakelar. Baik jenis BJT maupun FET, keduanya dapat digunakan sebagai sakelar. Sakelar yang dapat digunakan sebagai sakelar. Sakelar yang ideal harus memiliki karakteristik saat ON, sakelar ideal harus memiliki karakteristik saat ON, sakelar tersebut tidak memiliki tegangan drop, kemudian tersebut tidak memiliki tegangan drop, kemudian saat OFF, sakelar tersebut tidak dapat dilalui arus saat OFF, sakelar tersebut tidak dapat dilalui arus sama sekali. Penggunaan transistor FET sebagai sama sekali. Penggunaan transistor FET sebagai switch lebih unggul dibandingkan penggunaan switch lebih unggul dibandingkan penggunaan transistor BJT sebagai switch dikarenakan FET transistor BJT sebagai switch dikarenakan FET menggunakan arus yang sangat kecil untuk menggunakan arus yang sangat kecil untuk operasinya.
operasinya.
Setelah melakukan percobaan, diharapkan Setelah melakukan percobaan, diharapkan mahasiswa dapat:
mahasiswa dapat: a.
a. mengetahui dan mempelajari fungsi transistormengetahui dan mempelajari fungsi transistor sebagai switch
sebagai switch b.
b. mengetahui dan mempelajari karakteristikmengetahui dan mempelajari karakteristik kerja transistor BJT ketika beroperasi sebagai kerja transistor BJT ketika beroperasi sebagai sakelar
sakelar c.
c. mengetahui dan mempelajari karakteristikmengetahui dan mempelajari karakteristik kerja transistor MOSFET baik bertipe n-MOS kerja transistor MOSFET baik bertipe n-MOS maupun CMOS ketika beroperasi sebagai maupun CMOS ketika beroperasi sebagai sakelar.
sakelar. 2.
2. Studi PustakaStudi Pustaka 2.1
2.1 FET (Field FET (Field Effect Transistor)Effect Transistor)
Transistor FET adalah transistor yang bekerja Transistor FET adalah transistor yang bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Mekanisme kerja kedua ujung terminalnya. Mekanisme kerja transistor ini berbeda dengan transistor BJT. transistor ini berbeda dengan transistor BJT.
Pada transistor ini, arus yang Pada transistor ini, arus yang dihasilkan/dikontrol dari Drain (analogi dihasilkan/dikontrol dari Drain (analogi dengan Kolektor pada BJT), dilakukan oleh dengan Kolektor pada BJT), dilakukan oleh tegangan antara Gate dan Source (analogi tegangan antara Gate dan Source (analogi dengan Base dan Emitter pada BJT). dengan Base dan Emitter pada BJT). Bandingkan dengan arus pada Base yang Bandingkan dengan arus pada Base yang digunakan untuk menghasilkan arus kolektor digunakan untuk menghasilkan arus kolektor pada transistor BJT.
pada transistor BJT. Jadi,
Jadi, dapat dapat dikatakan dikatakan bahwa bahwa FET FET adalahadalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus. Transistor FET memiliki tegangan ke arus. Transistor FET memiliki beberapa jenis, diantaranya adalah JFET dan beberapa jenis, diantaranya adalah JFET dan MOSFET. PAda praktikum ini digunakan MOSFET. PAda praktikum ini digunakan transistor MOSFET, meskipun pada dasarnya transistor MOSFET, meskipun pada dasarnya sifat dari JFET dan MOSFET adalah serupa. sifat dari JFET dan MOSFET adalah serupa. Karakteristik umum dari transistor MOSFET Karakteristik umum dari transistor MOSFET dapat digambarkan pada kurva yang dibagi dapat digambarkan pada kurva yang dibagi menjadi dua, yaitu kurva karakteristik I menjadi dua, yaitu kurva karakteristik IDD vsvs
V
VGSGS dan kurva karakteristik I dan kurva karakteristik IDD vs vs VVDSDS. Kurva. Kurva
karakteristik I
karakteristik IDD vs vs VVGSGS diperlihatkan pada diperlihatkan pada
gambar berikut. Pada gambar tersebut terlihat gambar berikut. Pada gambar tersebut terlihat bahwa terdapat V
bahwa terdapat VGSGS minimum minimum yangyang
menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan tersebut dinamakan tegangan threshold, V tersebut dinamakan tegangan threshold, Vtt..
Pada MOSFET tipe depletion, V
Pada MOSFET tipe depletion, Vtt adalah adalah
negatif, sedangkan pada tipe enhancement, V negatif, sedangkan pada tipe enhancement, Vtt
adalah positif. adalah positif.
Gambar 1 Kurva I
Gambar 2 Kurva ID vs VDS
Pada kurva ID vs VDS, dapat dilihat daerah
kerja transistor, yaitu daerah saturasi, trioda, dan cut-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 3 Transistor BJT NPN
Gambar 4 Transistor BJT PNP Persamaan matematis pada transistor:
= = sehingga, = + 1 = 1 −
dengan IC merupakan arus kolektor, lalu IB
merupakan arus basis, arus emitor IE,
kemudian α merupakan penguatan arus DC untuk common basis, dan β merupakan penguatan arus DC untuk common emitter. 2.3 BJT sebagai Switch
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).
Gambar 5 Daerah Kerja BJT
2.4 MOSFET SEBAGAIS WITCH
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 n-MOS 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.
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.
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
3.2 Langkah-Langkah Percobaan a. Diagram 5.1 BJT Switch
Gambar 8 Rangkaian Percobaan BJT Switch b. Diagram 5.2 MOSFET Switch
1
•Rangkaian disusun seperti
pada gambar 8.
•Tegangan VCCdiatur 12 V,
kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai VCEawal dicatat.
2
•Rvar diputar untuk menaikkan
tegangan di Base hingga lampu menyala kemudian tepat saat lampu menyala, dicatat nilai IB,
IC, VBE, VCE.
•Tegangan di Base dinaikkan lagi
kemudian dicatat nilai ICdan IB
untuk tiga nilai setelah lampu menyala hingga Rvar
maksimum.
3
•Rvar diputar untuk
menurunkan tegangan sampai lampu padam, kemudian nilai IB, IC, VBE, VCE dicatat.
•Langkah diulangi untuk VCC
Gambar 9 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch
Gambar 10 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch c. Diagram 5.3 CMOS Switch
1
•Rangkaian disusun seperti
pada gambar 9.
•Tegangan VDDdiatur 5 V,
kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai VDSdan IDawal dicatat.
2
•Rvar diputar untuk menaikkan
tegangan di Gate hingga terlihat ada arus di Drain (ID),
dicatat nilai IG, ID, VGS, VDS.
•Langkah diulangi untuk VDD
lainnya (jangan melebihi 12 V) dan kurva digambar.
3
•Rangkaian disusun seperti pada
gambar 10.
•Tegangan VDDdiatur 5 V, kemudian
generator sinyal digunakan sebagai Vindan diatur ke gelombang
segitiga dengan amplitudo di posisi 0 - 5 V.
•Osiloskop dihubungkan, kanal 1
untuk Vindan kanal 2 untuk Vout,
kemudian digunakan mode XY untuk pengamatan, dan kurva digambar serta tegangan threshold ditentukan.
1
•Rangkaian disusun seperti
pada gambar 11.
•Tegangan VDDdiatur 5 V,
kemudian arus Rvar di set pada nilai minimum, nilai Vout, IS, dan IDawal dicatat.
2
•Rvar diputar untuk menaikkan
tegangan di Gate hingga terlihat ada arus di Drain (ID), dicatat nilai IG, IS,
ID, VGS, VDS.
•Rvar diputar terus (menaikkan VGS)
untuk beberapa nilai, kemudian dicatat IG, IS, ID, VGS, VDSdan digambar
kurva VGS- Vout.
•Langkah diulangi untuk VDD= 10 V.
3
•Rangkaian disusun seperti pada
gambar 12.
•Tegangan VDDdiatur 5 V, kemudian
generator sinyal digunakan sebagai Vindan diatur ke gelombang segitiga
dengan amplitudo di posisi 0 - 5 V.
4
•Osiloskop dihubungkan, kanal 1
untuk Vindan kanal 2 untuk Vout1,
kemudian digunakan mode XY untuk pengamatan, dan kurva digambar serta tegangan threshold ditentukan.
•Hubungan Vout1dari osiloskop
dilepas, kemudian dihubungkan ke Vout2, dan diamati pada mode XY, lalu
Gambar 11 Rangkaian Percobaan CMOS Switch
Gambar 12 Rangkaian Percobaan CMOS Switch 4. Hasil dan Analisis
4.1 BJT Switch Vcc (V) IB (mA) IC (mA) VBE (V) VCE (V) Kondisi Lampu 12 0.25 12 Awal 0.74 81.6 0.671 4.18 Tepat Nyala 1.51 99.4 On 3.1 117.5 On 5.11 121.2 On 0.06 22.43 0.604 9.79 Tepat Padam 9 0.19 9 Awal 1.38 82.8 0.798 0.826 Tepat Nyala 1.62 86.1 On 2.28 88.8 On 3.72 89.2 On 0.08 25.76 0.647 6.48 Tepat Padam 6 0.126 6 Awal
Lampu tidak pernah menyala
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.
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 VCE
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
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. 4.2 n-MOS Switch A. Multimeter VDD (V) IG ID (mA) VGS (V) VDS (V) Kondisi 5 0 0 5 Awal 0 0.01 1.834 4.98 Tepat ada arus ID 0 0.6 2.605 3.62 0 1 2.899 2.758 6 0 0 6 Awal 0 0.01 1.818 5.90 Tepat ada arus ID 0 0.6 2.693 4.63 0 1 2.878 3.75 7.5 0 0 7.5 Awal 0 0.01 1.818 7.42 Tepat ada arus ID 9 0 0 9 Awal 0 0.01 1.825 8.92 Tepat ada arus ID 0 0.05 1.963 8.80 0 0.6 2.582 7.60 0 1 2.852 6.76 Gambar 13 Kurva VGS vs ID Analisis :
Dapat dilihat dari kurva bahwa besarnya nilai VDD
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 (ID = 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 Vout 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 n-MOSnya berkisar pada 1.8 V. Dapat dilihat pula
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0.5 1 1.5 2 V G S ( V ) ID(mA) VDD = 5 V VDD = 6 V VDD = 9 V
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.
4.2 CMOS Switch A. Multimeter VD D (V) IG (mA ) IS (mA ) ID (mA ) VGS (V) VD S (V) Vout (V) 5 0 0.01 0.01 1.82 5 5 4.98 0.1 0.1 2.05 2 4.91 0.25 0.25 2.27 2 4.73 0.45 0.45 2.49 5 1.345 0.25 0.25 2.73 1 0.120 1 0.1 0.1 2.95 6 0.041 5 0.01 0.01 3.17 5 0.009 6 10 0 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 0.01 0.01 8.17 0.003 5 Kondisi awal saat VCC=5V, IS=ID=0 dan Vout=5V
Kondisi awal saat VCC=10V, IS=ID=0 dan Vout=10V
Gambar 5.15 Kurva Vout vs VGS dengan VDD = 5 V
Gambar 5.16 Kurva ID vs VGS dengan VDD = 5 V
0 1 2 3 4 5 6 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 V o u t ( V ) VGS(V) -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 I D ( m A ) VGS(V)
Gambar 5.17 Kurva Vout vs VGS dengan VDD = 10 V
Gambar 18 Kurva ID vs VGS dengan VDD = 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 ID 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 VGS ≈ 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
Gambar 19 Kurva VDS vs VGS dengan VDD = 5 V
Gambar 20 Kurva VS vs VGS dengan VDD = 5 V
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 IS = ID
yang paling besar (ditandai dengan tegangan VS
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 × VDD = 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--2 0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 V o u t ( V ) VGS(V) -1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 2 4 6 8 I D ( m A ) VGS(V)
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 Gate-Source 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, 15
April 2016, pukul 21.50.
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junctio n_transistor, 15 April 2016, pukul 21.55. [4]
http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html, 15 April 2016, pukul 22.10.
[5] http://electronics.stackexchange.com/questi ons/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturation, 15 April 2016, pukul 22.35.
[6] Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, Microelectronic Circuits , Oxford University Press,
