[EL2205]_[05]_[18014044]

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

1/9

MODUL 05 TRANSISTOR SEBAGAI SWITCH

Hafizh Al Fikry (18014044) Asisten: Muhammad Arief Ma'ruf Nasution /13212024

Tanggal Percobaan: 14 April 2016EL2205-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Pada percobaan ini, akan ditentukan fungsi transistor sebagaiswitch. Percobaan pertama akan digunakan konfigurasi switchdengan transistor BJT dan relay (lampu). Kemudian pada percobaan selanjutnya, akan digunakan transistor FETbertipe NMOS yang nantinya diamati dengan metodemultimeter dan dengan metode osiloskop. Pada percobaanterakhir, masih digunakan transistor FET, namun

konfigurasi switch yang digunakan adalah konfigurasiCMOS, pada percobaan ini pula, dilakukan pengamatandengan metode multimeter dan dengan metode osiloskop.

Kata kunci: transistor, switch, BJT, FET.

1. Pendahuluan

Salah satu fungsi transistor adalah sebagai switchatau sakelar. Baik jenis BJT maupun FET, keduanyadapat digunakan sebagai sakelar. Sakelar yangideal harus memiliki karakteristik saat ON, sakelartersebut tidak memiliki tegangan drop, kemudiansaat OFF, sakelar tersebut tidak dapat dilalui arussama sekali. Penggunaan transistor FET sebagaiswitch lebih unggul dibandingkan penggunaantransistor BJT sebagai switch dikarenakan FETmenggunakan arus yang sangat kecil untukoperasinya.

Setelah melakukan percobaan, diharapkanmahasiswa dapat:

a.

mengetahui dan mempelajari fungsi transistorsebagai switch

b. mengetahui dan mempelajari karakteristik

kerja transistor BJT ketika beroperasi sebagaisakelar

c. mengetahui dan mempelajari karakteristikkerja transistor MOSFET baik bertipe n-MOSmaupun CMOS ketika beroperasi sebagaisakelar.

2. Studi Pustaka2.1 FET (Field Effect Transistor)

Transistor FET adalah transistor yang bekerjaberdasarkan efek medan elektrik yangdihasilkan oleh tegangan yang diberikan padakedua ujung terminalnya. Mekanisme kerjatransistor ini berbeda dengan transistor BJT.

Pada transistor ini, arus yangdihasilkan/dikontrol dari Drain (analogidengan Kolektor pada BJT), dilakukan olehtegangan antara Gate dan Source (analogidengan Base dan Emitter pada BJT).Bandingkan dengan arus pada Base yangdigunakan untuk menghasilkan arus kolektorpada transistor BJT.

Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah

transistor yang berfungsi sebagai “konverter”tegangan ke arus. Transistor FET memilikibeberapa jenis, diantaranya adalah JFET danMOSFET. PAda praktikum ini digunakantransistor MOSFET, meskipun pada dasarnyasifat dari JFET dan MOSFET adalah serupa.

Karakteristik umum dari transistor MOSFETdapat digambarkan pada kurva yang dibagimenjadi dua, yaitu kurva karakteristik ID vsVGS dan kurva karakteristik ID vs VDS. Kurvakarakteristik ID vs VGS diperlihatkan padagambar berikut. Pada gambar tersebut terlihatbahwa terdapat VGS minimum yangmenyebabkan arus mulai mengalir. Tegangantersebut dinamakan tegangan threshold, Vt.Pada MOSFET tipe depletion, Vt adalahnegatif, sedangkan pada tipe enhancement, Vt adalah positif.

Gambar 1 Kurva ID vs VGS

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

2/9

Gambar 2 Kurva ID vs VDS

Pada kurva ID vs VDS, dapat dilihat daerahkerja 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 yangdigunakan, yaitu PNP dan NPN. Simbolhubungan antara arus dan tegangan dalamtransistor 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 DCuntuk common basis, dan β merupakanpenguatan arus DC untuk common emitter.

2.3

BJT sebagai Switch

Komponen transistor dapat berfungsi sebagaiswitch, walaupun bukan sebagai switch ideal.Untuk dapat berfungsi sebagai switch, makatitik kerja transistor harus dapat berpindah – pindah dari daerah saturasi (switch ON) kedaerah cut-off (switch OFF).

Gambar 5 Daerah Kerja BJT

2.4 MOSFET SEBAGAI S WITCH

Selain BJT, MOSFET juga dapat berfungsisebagai switch. Dibandingkan dengan BJT,sifat switch dari MOSFET juga lebih unggulkarena membutuhkan arus yang sangat keciluntuk operasinya.

Ada dua tipe MOSFET menurut tegangankerjanya yaitu n-Channel MOSFET (n-MOS)dan p-Channel MOSFET (p-MOS). Dimana n-MOS bekerja dengan memberikan teganganpositif pada gate, dan sebaliknya, p-MOSbekerja dengan memberikan tegangan negatifpada gate. Transistor n-MOS berlaku sebagai

switch dengan membuatnya bekerja di sekitardaerah saturasinya.

Gambar 6 Daerah Kerja n-MOS

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

3/9

Jika n-MOS dan p-MOS digabungkan, akandihasilkan rangkaian CMOS (ComplementaryMOS) yang ditunjukkan oleh gambar berikutini. Untuk memperlakukan CMOS supayabekerja sebagai switch, kita harus mengubah – ubah daerah kerjanya antara cut-off dansaturasi.

Gambar 7 Rangkaian CMOS

3. Metodologi3.1

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 sepertipada gambar 8.

•Tegangan VCC diatur 12 V,

kemudian arus Rvar di setpada nilai minimum, nilaiVCE awal dicatat.

2

•Rvar diputar untuk menaikkantegangan di Base hingga lampu

menyala kemudian tepat saat

lampu menyala, dicatat nilai IB,IC, VBE, VCE.

•Tegangan di Base dinaikkan lagi

kemudian dicatat nilai IC dan IBuntuk tiga nilai setelah lampu

menyala hingga Rvarmaksimum.

3

•Rvar diputar untukmenurunkan tegangansampai lampu padam,kemudian nilai IB, IC, VBE, VCEdicatat.

•Langkah diulangi untuk VCClainnya dan kurva digambar.

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

4/9

Gambar 9 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch

Gambar 10 Rangkaian Percobaan n-MOS Switch

c. Diagram 5.3 CMOS Switch

1


•Tegangan VDD diatur 5 V,kemudian arus Rvar di setpada nilai minimum, nilaiVDS dan ID awal dicatat.

2

•Rvar diputar untuk menaikkantegangan di Gate hingga

terlihat ada arus di Drain (ID),

dicatat nilai IG, ID, VGS, VDS.

•Langkah diulangi untuk VDDlainnya (jangan melebihi 12 V)

dan kurva digambar.

3

•Rangkaian disusun seperti pada

gambar 10.

•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 Vout,

kemudian digunakan mode XY

untuk pengamatan, dan kurva

digambar serta tegangan threshold

ditentukan.

1


•Tegangan VDD diatur 5 V,kemudian arus Rvar di setpada nilai minimum, nilaiVout, IS, dan ID awal 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, VDS dan digambarkurva VGS - Vout.

• Langkah diulangi untuk VDD = 10 V.

3

•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.

4

•Osiloskop dihubungkan, kanal 1

untuk Vin dan kanal 2 untuk Vout1,

kemudian digunakan mode XY untuk

pengamatan, dan kurva digambar

serta tegangan threshold ditentukan.

•Hubungan Vout1 dari osiloskopdilepas, kemudian dihubungkan ke

Vout2, dan diamati pada mode XY, lalu

kurva digambar.

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

5/9

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 TepatNyala

1.51 99.4 On

3.1 117.5 On

5.11 121.2 On

0.06 22.43 0.604 9.79 TepatPadam

9 0.19 9 Awal

1.38 82.8 0.798 0.826 TepatNyala

1.62 86.1 On

2.28 88.8 On

3.72 89.2 On

0.08 25.76 0.647 6.48 TepatPadam

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 inidikarenakan oleh adanya nilai hambatan sebesar2.178 kΩ pada saat nilai Rvar paling kecil.

Lampu digunakan sebagai indikator switch, saatswitch ON maka lampu menyala, sebaliknya saatlampu mati, switch dalam keadaan OFF. Padakondisi awal lampu masih dalam keadaan matidikarenakan oleh switch yang masih dalamkeadaan OFF (transistor masih berada dalamdaerah 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 Vyang memang nilai VBE ON transistor berada padakisaran itu (sekitar 0.7 V). Kemudian, seiringdengan naiknya nilai IC maka nilai tegangan VCE pun turun. Keadaan transistor yang berada padadaerah saturasinya juga ditunjukkan dengan nilaiβforce yang berkisar 20 – 40, lebih kecil biladibandingkan dengan nilai β yang pada umumnyaberkisar 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 yanglebih kecil dari 0.67 V (VBE ON).

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

6/9

Pada nilai tegangan VCC 3 V dan 6 V lampu tidakakan pernah menyala meskipun Rvar diputarsampai maksimal, hal ini dikarenakan transistortidak 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 adaarus ID

0 0.6 2.605 3.62

0 1 2.899 2.758

6 0 0 6 Awal


0 0.6 2.693 4.63

0 1 2.878 3.75

7.5 0 0 7.5 Awal


9 0 0 9 Awal


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 darinilai VDD yang ada, semuanya hampir terlihatberimpitan. Dari tabel dan kurva, diperoleh bahwaadanya arus pertama pada drain (ID = 0.01 mA)selalu nilai VGS berada pada rentang 1.8 V, ituartinya tegangan threshold (Vt) transistor n-MOStersebut 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 nilaiVDS sehingga dari hal tersebut diperoleh bahwauntuk nilai Vin (VGS) di mana kurva pertama kaliberbelok, merupakan nilai tegangan thresholdtransistor 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

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

7/9

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

8/9

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 yangsignifikan dari segi bentuk kurva baik denganpenggunaan VDD = 5 V maupun 10 V, hanya rangenilainya saja yang berubah. Dapat dilihat darigambar, baik dengan VDD = 5 V maupun 10 V, nilaitegangan VGS saat kurva berbelok pertama kali(tegangan threshold n-MOS) berkisar pada 1.8 V.

Pada kurva ID vs VGS, saat tegangan VGS memasukinilai tegangan threshold n-MOSnya, kurva mulainaik sampai ke suatu titik puncak untuk kemudiankembali turun meskipun nilai VGS bertambah. Nilaipuncak itu berada pada saat VGS ≈ 0.5 × VDD. NilaiVGS di mana ID mencapai nilai puncak tersebutdinamakan tegangan threshold switch (Vth). Jikasalah satu transistor dalam kondisi OFF, makaswitch OFF. Saat kedua transistor berada padakondisi saturasi, maka arus yang dapat dilalui olehsistem 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 nilaitegangan threshold transistor n-MOSnya beradapada 1.8 V. Kemudian, kondisi di mana transistorp-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 padategangan Vth = VGS = 2.8 V, tidak jauh berbeda dariformula Vth = VGS = 0.5 × VDD = 2.5 V.Ketidakidealan diakibatkan transistor yangdigunakan bukan transistor ideal.

5. Kesimpulan

Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa:

a. Transistor dapat beroperasi sebagai switch,caranya adalah dengan mengatur teganganbiasnya. Transistor BJT berfungsi sebagaiswitch 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)

8/18/2019 [EL2205]_[05]_[18014044]

9/9

MOS bekerja sebagai switch pada daerah kerjasaturasi (switch ON) dan daerah cut-off(switch OFF) sementara pada daerahtriodanya, transistor bisa dikatakan bekerjasetengah-ON. Pada konfigurasi CMOS, switchON adalah saat kedua transistor berada padadaerah saturasinya, sementara switch OFF

adalah pada saat salah satu transistor beradapada kondisi OFF (daerah cut-off).

b. Karakteristik kerja transistor BJT sebagaiswitch adalah, saat switch ON, transistorberada pada daerah kerja saturasi, sementarapada saat switch OFF, transistor berada padadaerah kerja cut-off.

c.

Karakteristik kerja transistor MOSFET sebagaiswitch adalah:

Pada tipe n-MOS switch, saat tegangan Gate-Source memasuki nilai thresholdnya,

transistor mulai memasuki mode ON, artinyatransistor mulai memasuki daerah saturasinya.Saat nilai tegangan Gate-Sourcenya lebih kecildari nilai tegangan thresholdnya, switchdalam kondisi OFF atau transistor beradapada daerah kerja cut-off. Saat transistormemasuki daerah triodanya, atau teganganpada Drain-Source lebih kecil daripadategangan Gate-Source dikurangi teganganthresholdnya (disebut juga teganganoverdrive) masih ada arus yang dapatdilewatkan oleh transistor meski lebih kecil

daripada saat transistor dalam daerah kerjasaturasinya sehingga dapat dikatakantransistor berada dalam kondisi setengah-ON.

Pada konfigurasi CMOS, switch ON ketikakedua transistor berada dalam daerah kerjasaturasi. Pada saat nilai tegangan Gate-Sourcesama dengan setengah dari tegangan powersupply, maka arus yang dapat dilewatkanswitch adalah arus yang paling besar.Sementara itu, jika salah satu transistor beradadalam kondisi OFF, maka switch CMOS ini

juga dalam kondisi OFF.6. Daftar Pustaka

[1] Hutabarat, Mervin T., Praktikum Elektronika ,Sekolah Teknik Elektro dan InformatikaInstitut Teknologi Bandung, Bandung, 2016.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET, 15 April 2016, pukul 21.50.

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor, 15 April 2016, pukul 21.55.

[4] http://www.electronics-

tutorials.ws/transistor/tran_7.html, 15 April2016, pukul 22.10.

[5] http://electronics.stackexchange.com/questions/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,USA, 1997.
http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFEThttp://en.wikipedia.org/wiki/MOSFEThttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://electronics.stackexchange.com/questions/18885/mosfet-as-a-switch-when-is-it-in-saturationhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.htmlhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistorhttp://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

Documents

[EL2205]_[05]_[18014044]