Cara Kerja Transistor – Penjelasan Sederhana
Transistor adalah komponen elektronik sederhana yang bisa kamu gunakan untuk membangun banyak proyek menarik. Dalam panduan praktis ini, kamu akan mempelajari cara kerja transistor agar bisa menggunakannya pada rangkaian elektronikmu berikutnya.
Sebenarnya mempelajari transistor cukup mudah setelah kamu memahami dasar-dasarnya. Di sini, kita akan fokus pada dua jenis transistor yang paling umum digunakan: BJT dan MOSFET.
Secara mendasar, transistor bekerja seperti sakelar elektronik. Komponen ini dapat memutus dan menyambung arus listrik (ON/OFF). Cara termudah untuk membayangkannya adalah dengan melihat transistor sebagai sebuah relay tanpa komponen mekanis yang bergerak.
Namun selain sebagai sakelar, transistor juga bisa diaktifkan “setengah jalan”, yang membuatnya sangat berguna untuk membangun rangkaian penguat sinyal (amplifier).
1. Cara Kerja Transistor BJT (Bipolar Junction Transistor)
Mari kita mulai dengan transistor klasik jenis NPN. Transistor ini termasuk dalam keluarga BJT dan memiliki tiga kaki (pin):
- Base (b) – Basis
- Collector (c) – Kolektor
- Emitter (e) – Emiten
Jika transistor dalam kondisi ON, arus listrik dapat mengalir dari Collector menuju Emitter. Sebaliknya, saat kondisi OFF, tidak ada arus yang dapat mengalir.
Pada contoh rangkaian di bawah, transistor berada dalam kondisi OFF (mati). Artinya, tidak ada arus listrik yang dapat mengalir melaluinya, sehingga Light-Emitting Diode (LED) juga ikut padam.
Untuk mengubah kondisi transistor menjadi ON (menyala), kamu memerlukan tegangan sekitar 0,7V di antara kaki base dan emitter.
Jika kamu punya baterai 0,7V, kamu bisa langsung menghubungkannya di antara kaki base dan emitter, dan transistor pun akan langsung ON.
Tapi, karena sebagian besar dari kita tidak punya baterai 0,7V, lalu bagaimana cara kita menyalakan transistornya?
Gampang! Bagian base-to-emitter pada transistor itu bekerja mirip seperti sebuah dioda. Dioda memiliki tegangan maju (forward voltage) yang akan “mengambil jatah” dari tegangan yang tersedia. Jika kamu menambahkan sebuah resistor secara seri, sisa tegangan dari sumber daya akan turun di resistor tersebut.
Jadi, kamu akan secara otomatis mendapatkan tegangan sekitar 0,7V hanya dengan menambahkan sebuah resistor.
Ini adalah prinsip yang sama dengan yang kamu gunakan untuk membatasi arus pada LED agar tidak putus atau terbakar.
Jika kamu juga menambahkan sebuah tombol tekan (pushbutton), kamu bisa mengontrol transistor—dan dengan demikian juga mengontrol LED—untuk mengubah kondisinya menjadi ON dan OFF hanya dengan satu tombol:
Memilih Nilai Komponen
Untuk memilih nilai komponen, ada satu hal lagi yang perlu kamu ketahui tentang cara kerja transistor:
Ketika arus mengalir dari base ke emitter, transistor akan aktif sehingga arus yang jauh lebih besar dapat mengalir dari collector ke emitter.
Bagian ini adalah pengantar yang pas sebelum masuk ke rumus penguatan dan perhitungan Hukum Ohm yang sempat kita bahas di awal tadi. Mau lanjut ke paragraf berikutnya?
Ada hubungan antara besarnya kedua arus tersebut. Hubungan inilah yang disebut dengan gain (penguatan) dari transistor.
Untuk transistor kegunaan umum (general-purpose) seperti BC547 atau 2N3904, nilai gain ini biasanya sekitar 100.
Artinya, jika ada arus sebesar 0,1 mA mengalir dari base ke emitter, kamu bisa mengalirkan arus hingga 10 mA (100 kali lebih besar) dari collector ke emitter.
Lalu, berapa nilai resistor yang kamu butuhkan pada R1 untuk mendapatkan aliran arus sebesar 0,1 mA?
Jika baterai yang digunakan adalah 9V, dan bagian base-to-emitter pada transistor mengambil jatah 0,7V, maka tersisa tegangan sebesar 8,3V pada resistor.
Kamu bisa menggunakan Hukum Ohm untuk mencari nilai resistor tersebut:
Jadi, kamu membutuhkan resistor sebesar 83 kΩ. Nilai tersebut memang bukan ukuran standar di pasaran, tetapi nilai 82 kΩ adalah nilai standar yang sangat mendekati dan sudah cukup bagus untuk digunakan.
Sementara itu, R2 dipasang di sana untuk membatasi arus yang masuk ke LED. Kamu bisa memilih nilai resistor yang sama seperti saat kamu ingin menghubungkan LED dan resistor langsung ke baterai 9V tanpa menggunakan transistor. Sebagai contoh, nilai 1 kΩ akan bekerja dengan baik.
Cara Memilih Transistor
Transistor NPN adalah jenis yang paling umum digunakan dalam keluarga Bipolar Junction Transistor (BJT). Namun, ada satu jenis lagi yang disebut transistor PNP; cara kerjanya sama persis, hanya saja semua arah aliran arusnya mengalir ke arah yang berlawanan.
Saat memilih sebuah transistor, hal paling penting yang harus kamu perhatikan adalah seberapa besar arus listrik yang mampu ditangani oleh transistor tersebut. Nilai ini disebut dengan Collector Current (IC) atau Arus Kolektor.
2. Cara Kerja Transistor MOSFET
Transistor MOSFET adalah jenis transistor lain yang juga sangat umum digunakan. Komponen ini juga memiliki tiga kaki (pin):
- Gate (g)
- Source (s)
- Drain (d)
MOSFET bekerja dengan cara yang mirip seperti transistor BJT, tetapi dengan satu perbedaan penting:
- Pada transistor BJT: Arus dari base ke emitter menentukan seberapa banyak arus yang dapat mengalir dari collector ke emitter.
- Pada transistor MOSFET: Tegangan di antara gate dan source menentukan seberapa banyak arus yang dapat mengalir dari drain ke source.
Contoh: Cara Mengaktifkan MOSFET
Di bawah ini adalah contoh rangkaian untuk mengubah kondisi MOSFET menjadi ON (menyala).
Untuk mengaktifkan sebuah transistor MOSFET, kamu memerlukan tegangan di antara gate dan source yang lebih tinggi daripada threshold voltage (tegangan ambang batas) transistormu. Sebagai contoh, transistor BS170 memiliki tegangan ambang batas gate-to-source sebesar 2,1V. (Kamu bisa menemukan informasi ini di dalam datasheet).
Tegangan ambang batas pada MOSFET sebenarnya adalah titik tegangan di mana komponen tersebut mulai OFF (mati). Jadi, untuk membuat transistor ini benar-benar ON dengan sempurna, kamu membutuhkan tegangan yang sedikit lebih tinggi dari nilai tersebut.
Seberapa tinggi tegangan ekstra yang dibutuhkan tergantung pada seberapa besar arus yang ingin kamu alirkan (dan kamu bisa melihat informasi ini di dalam datasheet). Jika kamu memberikan tegangan beberapa volt di atas ambang batas, itu biasanya sudah lebih dari cukup untuk kebutuhan arus rendah seperti menyalakan sebuah LED.
Perlu dicatat, meskipun kamu menggunakan tegangan yang cukup tinggi untuk mengalirkan arus hingga 1A, bukan berarti arus yang mengalir otomatis akan langsung sebesar 1A. Itu hanya berarti transistor tersebut mampu dilewati arus hingga 1A jika kamu menghendakinya. Namun, komponen apa pun yang kamu hubungkan ke sanalah yang nantinya menentukan seberapa besar arus aktual yang mengalir.
Jadi, kamu bisa memberikan tegangan gate setinggi yang kamu mau, asalkan kamu memastikan nilainya tidak melewati batas maksimum tegangan gate-to-source (di mana batas untuk BS170 adalah 20V).
Pada contoh rangkaian di atas, kaki gate akan terhubung ke tegangan 9V saat kamu menekan tombol. Hal ini akan mengubah kondisi transistor menjadi ON.
Memilih Nilai Komponen
Nilai resistor R1 tidak terlalu krusial, tetapi nilai sekitar 10 kΩ akan bekerja dengan baik. Fungsi utama dari resistor ini adalah untuk mematikan MOSFET (penjelasan lebih detail mengenai hal ini ada di bawah).
R2 digunakan untuk mengatur tingkat kecerahan LED. Nilai 1 kΩ sudah cukup bagus dan aman untuk sebagian besar jenis LED.
Q1 bisa menggunakan hampir semua jenis MOSFET tipe N-channel, sebagai contoh, kamu bisa menggunakan tipe BS170.
Cara Mematikan Transistor MOSFET
Satu hal penting yang harus dipelajari tentang MOSFET adalah komponen ini juga bertindak sedikit mirip seperti sebuah kapasitor. Spesifiknya, pada bagian gate-to-source. Ketika kamu memberikan tegangan di antara kaki gate dan source, tegangan tersebut akan tetap tersimpan di sana sampai muatannya dibuang (discharged).
Tanpa adanya resistor (R1) pada contoh di atas, transistor tidak akan bisa mati (turn off). Dengan dipasangnya resistor tersebut, tersedia sebuah jalur bagi kapasitor gate-source untuk membuang muatannya (discharge) sehingga transistor dapat kembali ke kondisi OFF.
Cara Memilih Transistor MOSFET
Contoh di atas menggunakan jenis MOSFET N-channel. MOSFET P-channel sebenarnya bekerja dengan cara yang sama, hanya saja arus listriknya mengalir ke arah yang berlawanan, dan tegangan gate-to-source harus bernilai negatif untuk membuatnya aktif (ON).
Ada ribuan jenis MOSFET berbeda yang bisa dipilih di pasaran. Namun, jika kamu ingin membangun contoh rangkaian di atas dan butuh rekomendasi yang spesifik, BS170 dan IRF510 adalah dua jenis yang sangat umum dan mudah ditemukan.
Dua hal utama yang wajib kamu perhatikan saat memilih sebuah MOSFET adalah:
- Tegangan ambang batas gate-to-source (Gate-to-source threshold voltage). Kamu membutuhkan tegangan yang lebih tinggi dari nilai ini untuk mengaktifkan transistor.
- Arus drain kontinu (Continuous Drain Current). Ini adalah jumlah arus maksimum yang aman untuk mengalir melalui transistormu.
Tergantung pada alat apa yang sedang kamu buat, sebenarnya masih ada parameter penting lainnya yang perlu diperhatikan. Namun, hal tersebut sudah di luar dari pembahasan artikel ini. Cukup pegang dan perhatikan dua parameter di atas, dan kamu sudah punya poin awal yang bagus untuk memulai.
Arus pada Gate MOSFET
Jika kamu ingin mengontrol sebuah MOSFET menggunakan mikrokontroler seperti Arduino atau Raspberry Pi, ada satu hal lagi yang wajib kamu perhatikan; yaitu arus listrik yang mengalir masuk ke dalam gate saat kamu menyalakan transistor tersebut.
Seperti yang sempat disinggung secara singkat di atas, bagian gate-to-source pada sebuah MOSFET bertindak mirip seperti kapasitor.
Artinya, setelah kapasitor tersebut terisi penuh (charged), tidak akan ada lagi arus listrik yang mengalir melewatinya. Jadi, ketika kondisi MOSFET sudah dalam keadaan ON (stabil), sudah tidak ada lagi arus yang mengalir melalui kaki gate.
Namun, tepat pada saat MOSFET sedang beralih ke kondisi ON, akan terjadi aliran arus listrik—sama persis seperti saat kamu pertama kali mengisi muatan sebuah kapasitor. Dalam pecahan detik yang sangat singkat tersebut, arus yang mengalir bisa menjadi sangat besar.
Untuk melindungi Arduino milikmu (atau perangkat kontrol apa pun yang kamu gunakan) dari lonjakan arus yang berlebihan ini, kamu perlu menambahkan sebuah resistor gate MOSFET:
Nilai 1000Ω biasanya sudah cukup bagus untuk kebutuhan ini. Kamu bisa menggunakan Hukum Ohm jika ingin memastikan kembali nilai yang paling pas untuk kasus spesifik pada rangkaianmu.
Mengapa Kita Membutuhkan Transistor?
Pertanyaan yang sering saya dapatkan adalah: kenapa sih kita membutuhkan transistor? Kenapa tidak langsung menghubungkan LED dan resistor langsung ke baterai saja?
Keuntungan utama dari sebuah transistor adalah kamu bisa menggunakan arus atau tegangan yang sangat kecil untuk mengontrol arus dan tegangan yang jauh lebih besar.
Hal ini sangat berguna jika kamu ingin mengontrol komponen seperti motor, LED berdaya tinggi, speaker, relay, dan banyak lagi langsung dari sebuah Raspberry Pi, Arduino, atau mikrokontroler. Pin output dari papan pengontrol ini umumnya hanya dapat menyediakan arus beberapa miliampere saja pada tegangan 5V. Jadi, jika kamu ingin mengontrol lampu teras luar ruangan yang bertegangan tinggi, kamu tidak akan bisa melakukannya langsung dari pin tersebut.
Sebagai gantinya, kamu bisa mengontrolnya lewat sebuah relay. Namun, bahkan relay itu sendiri biasanya membutuhkan arus yang lebih besar daripada yang bisa disediakan oleh pin mikrokontroler. Oleh karena itu, kamu membutuhkan sebuah transistor untuk mengontrol relay tersebut:
Namun, transistor juga sangat berguna untuk rangkaian sensor yang lebih sederhana, seperti rangkaian sensor cahaya, rangkaian sensor sentuh, atau rangkaian H-Bridge.
Kita menggunakan transistor di hampir semua rangkaian listrik. Komponen ini benar-benar merupakan komponen paling penting dalam dunia elektronika.
Berikut adalah terjemahan untuk bagian terakhir artikel yang membahas fungsi transistor sebagai penguat (amplifier):
Transistor Sebagai Penguat (Amplifier)
Transistor juga merupakan komponen utama yang membuat sebuah penguat (amplifier) dapat bekerja. Alih-alih hanya memiliki dua kondisi (ON/OFF), transistor juga bisa berada di kondisi mana pun di antara “terbuka penuh” (fully on) dan “tertutup penuh” (fully off).
Artinya, sebuah sinyal kecil yang hampir tidak memiliki energi dapat mengontrol transistor untuk menghasilkan salinan sinyal yang jauh lebih kuat pada bagian collector-emitter (atau drain-source) transistor. Dengan cara inilah, transistor dapat memperkuat sinyal-sinyal kecil.
Di bawah ini adalah contoh rangkaian penguat sederhana untuk menggerakkan sebuah speaker. Semakin tinggi tegangan inputnya, semakin tinggi pula arus yang mengalir dari base ke emitter, dan semakin besar arus yang melewati speaker.
Tegangan input yang berubah-ubah (berfluktuasi) membuat arus listrik pada speaker ikut berubah-ubah, yang kemudian menghasilkan gelombang suara.
Biasanya, kamu perlu menambahkan beberapa resistor lagi untuk mengatur tegangan bias (biasing) pada transistor. Jika tidak, suara atau sinyal yang dihasilkan akan mengalami banyak distorsi (cacat sinyal).
