TEGANGAN PANJAR TRANSISTOR

Transkripsi

1 11 TGANGAN PANJA TANSSTO 11.1 Pentingnya Tegangan Panjar Pada bab sebelumnya kita telah melihat bahwa arus kolektor i dapat dikontrol oleh arus basis i yang relatif kecil atau dengan mengubah sedikit tegangan basis-emitor v. Karenanya, transistor mempunyai kemungkinan untuk digunakan sebagai penguatan arus, tegangan atau daya dari suatu masukan. Namun perlu diperhatikan bahwa bentuk keluaran harus sama dengan bentuk isyarat masukan. Syarat ini tidak mudah untuk dipenuhi. Kenyataan di atas adalah benar walaupun masukan hanya berupa isyarat yang sangat sederhana misalnya berupa fungsi sinus yang berosilasi secara sama di atas dan di bawah harga 0 volt. Sebagai ilustrasi diperlihatkan pada gambar 11.1-a, yaitu dengan mengenakan isyarat tersebut pada masukan transistor. Sayangnya, sampai dengan masukan berharga + 0,6 volt, arus kolektor masih relatif kecil. Saat masukan telah melebihi harga tegangan ini, arus kolektor membesar dengan cepat, naik sebesar e 2,718 kali setiap ada kenaikan 25 m kenaikan masukan (ingant pers. eksponensial). esarnya arus agar masukan berada sedikit di atas tingkat kritis diperlihatkan pada gambar 11.1-b. esarnya tegangan keluaran diberikan oleh v i (11.1) ni ditunjukkan pada gambar 11.1-c, bahwa keluaran identik dengan masukan. Tegangan Panjar Transistor 113

2 Gambar 11.1 angkaian transistor: a) syarat masukan diberikan, b) entuk isyarat arus keluaran dan c) syarat keluaran. Gambar 11.2 Karakteristik keluaran transistor Kita kembali pada tipe karakteristik keluaran transistor seperti terlihat pada gambar 11.2, dimana kita telah mengikutkan nilai v untuk setiap kurva karakteristik. Dari kurva-kurva yang didapat terlihat bahwa seharusnya transistor diberi panjar ( v ) sebesar 637 m. Dengan demikian untuk masukan yang berosilasi ± 10 m akan memberikan perubahan arus kolektor yang cukup besar. 114 KTONKA DASA

3 ! # " & $ % % ' Gambar 11.3 angkaian transistor dengan memperlihatkan v. angkaian yang lebih jelas diperlihatkan pada gambar Sayangnya, rangkaian ini sangat tidak praktis dengan alasan: i) Masukan mungkin mempunyai terminal yang dihubungakan ke 0 volt. ii) iii) Agak sulit untuk memdapatkan tegangan panjar dekat dengan harga 637 m. Suatu harga mungkin cocok untuk suatu transistor tetapi mungkin transistor lain akan memerlukan harga yang sangat berbeda, walaupun dari jenis dan merk yang sama. Untuk mengatasi permasalahan di atas dapat dilakukan dengan memberikan pemecahan melalui dua tahap: i) encanakan suatu rangkaian D yang dapat mengatur besarnya arus ii) kolektor untuk isyarat masukan 0 volt. Pasang kapasitor yang dapat menghubungkan isyarat masukan; kapasitor ini tidak akan mengganggu keadaan D, tetapi dapat melewatkan isyarat A dengan baik. Tegangan Panjar Transistor 115

4 ( , -., / 3 3 ) * Gambar 11.4 angkaian transistor dengan panjar tetap Panjar Tetap Dengan memperhatikan pentingnya panjar dan persyaratan yang harus dipenuhi, dapat dibuat rangkaian yang paling sederhana seperti terlihat pada gambar esistor panjar dilewati arus sebesar ( + ) panjar / (11.2) Karena biasanya > 3 v 0,6 maka kita dapat membuat pendekatan / panjar (11.3) dengan demikian hampir-hampir tidak tergantung pada jenis transistor. syarat A praktis tidak mengalami perubahan pada saat dilewatkan kapasitor (jika kapasitasnya cukup besar). Sebagian arus A akan hilang pada resistor panjar, namun sebagian besar digunakan untuk mengubah arus basis di sekitar harga D. 116 KTONKA DASA

5 Untuk transistor dengan suatu harga β, teknik pemasangan panjar ini sangat tepat karena mengingat arus kolektor β (11.4) dan dapat diatur sesuai yang dikehendaki. Sayangnya transistor yang digunakan dapat memiliki β yang bervariasi Keadaan Panjar Sejauh ini perlu dipertanyakan, seberapa besar arus kolektor yang diperlukan? Jawabannya tergantung pada dan. Terdapat berbagai cara untuk menentukannya, asalkan sejauh ini mereka kita anggap berharga tetap. Tegangan keluaran v untuk suatu harga arus kolektor pada rangkaian gambar 11.4 diberikan oleh v i i dan v harus memenuhi persamaan 1 i v + dimana ini akan berupa garis lurus jika diplot dengan v sebagai sumbu-x dan i sebagai sumbu-y. Garis lurus ini menghubungkan dua titik, yaitu di titik perpotongan pada sumbu v (dimana i 0 ) di v, dan di titik perpotongan pada sumbu i (dimana v 0) di i /. Garus lurus ini biasa disebut sebagai garis beban. Sebagai contoh pada gambar 11.2 telah disertakan garis beban dengan parameter 10 volt 10 k6 Tegangan Panjar Transistor 117

6 i v, harus memenuhi kondisi yang dituntut transistor, misalnya pada gambar 11.2, Jika sebesar 5 µa maka harga i, v berada pada perpotongan karakteristik transistor dan di atas garis beban, katakan pada i 0,45 ma v 5,5 Hal yang sama untuk arus basis 5,6 µa akan memberikan titik seperti ditandai pada gambar 11.2, yaitu i 0,5 ma v 5 Harga di atas merupakan harga D yang cocok untuk pengoperasian transistor. Titik ini biasa disebut sebagai titik tenang (quiescent point) Q. Saat terjadi perubahan i (atau v ), harga i atau v akan naik ke atas atau turun di bawah garis beban, memperlihatkan adanya perubahan keluaran. Nilai D arus dan tegangan yang ditunjukkan oleh titik Q mempunyai beberapa keterbatasan. Pada gambar 11.5 diperlihatkan karakteristik keluaran beserta garis beban suatu transistor daya-medium. Gambar 11.5 Karakteristik keluaran transistor beserta garis beban 118 KTONKA DASA

7 A D Jika transistor tidak mengalami kerusakan, terdapat beberapa keterbatasan yang harus dipenuhi untuk i) Arus maksimum, i ii) Tegangan maksimum, v iii) Daya maksimum, Jika keluaran mempunyai bentuk sama dengan masukan, kita harus memperhatikan karakteristik pada daerah pengoperasian ini (kira-kira berada pada titik tengah tengah garis beban). Kita harus menghindarkan pengoperasian di kedua ujung garis beban karena: i) Pada v yang rendah bentuk karakteristik akan berubah secara drastis. ii) Pada i yang rendah akan membuat transistor mati. Karenanya kita dapat menarik garis beban seperti terlihat pada gambar 11.5, menghindari persyaratan untuk,, P dan panjar penguat seperti telah dituntut di atas. Kita dapat menandai pengoperasian dengan titik lingkaran seperti terlihat pada gambar, yaitu dengan menghindari terlalu dekat dengan v 0 atau i 0. : ; < > Gambar 11.6 angkaian panjar umpan-balik kolektror Tegangan Panjar Transistor 119

8 F O Q J P N M K U S Y [ 11.4 Pemasangan Panjar Umpan-alik Kolektor Gambar 11.6 memperlihatkan rangkaian untuk memperoleh panjar umpan-balik kolektor. Jika terjadi kenaikan, maka akan terjadi penurunan, sehingga arus basis akan menjadi ( v ) panjar / (11.5) yang akan melawan kenaikan. angkaian ini tidak dapat menetapkan dengan baik, tetapi paling tidak dapat menjamin bahwa akan berada pada harga paling tidak 1 volt- atau kemungkinan lain, arus basis akan sangat kecil dan akan berharga sangat tinggi, tentu ini suatu yang kontradiksi Pemasangan Panjar Umpan-alik mitor Teknik yang banyak digunakan untuk memberikan panjar dengan umpan-balik diperlihatkan pada gambar Pada rangkaian ini panjar tetap akan memberikan arus basis yang akan selanjutnya akan menentukan besarnya arus emitor. Masukan harus dipasang kapasitor dengan basis untuk menjaga gangguan kondisi panjar. W X \ Z Z G H T U Gambar 11.7 angkaian panjar umpan-balik emitor 120 KTONKA DASA

9 i) Arus asis Diabaikan Jika arus basis dapat diabaikan kita mempunyai v ( ) 2 / dan karena 0, 6, maka 0,6 Selanjutnya kita dapat menghitung besarnya arus emitor sebesar / ,6 / (11.6) Jika masukan diharapkan mempunyai efek yang maksimum, maka pada emitor hampir tidak ada tegangan A- dan hanya ada di basis. Kapasitor memastikan kondisi tersebut, namun kapasitor harus berharga sangat besar. Perhatikan rangkaian tertutup v, i,, untuk melihat kenapa digunakan Agar kita dapat mengabaikan harga arus basis pada perhitungan di atas, arus pada pembagi potensial harus relatif besar. ni dimungkinkan karena arus emitor tidak terlalu tergantung pada besarnya β dari transistor, tetapi kita mengharapkan arus A masukan terbuang karena harga 1, 2 terlalu rendah.. ii) Tanpa Mengabaikan Arus asis Jika arus basis tidak dapat diabaikan, perhitungan besarnya arus emitor sedikit lebih panjang. angkah pertama adalah dengan menggantikan pembagi potensial pada gambar 11.7 dengan sebuah rangkaian ekivalen terdiri dari sebuah sumber tegangan dan sebuah resistor tunggal (ingat teorema Thevenin), masing-masing berharga Tegangan Panjar Transistor 121

10 ( ) 2 / (11.7) ( ) +. (11.8) 1 2 / 1 2 Terdapat penurunan tegangan pada yaitu dan pada sebesar ( + ) β 1 (11.9) Dengan menggunakan hukum Kirchhoff tentang tegangan, pada rangkaian tertutup yang melibatkan,,, dan, diperoleh sehingga ( β + ) ( β + 1) + (11.10) Kita juga mempunyai persamaan lain sebagai: ( + ) β 1 + β (11.11) Perhatikan bahwa pada persamaan di atas terdapat bukan. Jika pada emitor terdapat resistor seperti rangkaian ini, maka kita harus memodifikasi garis bebannya. 2 / 2 ( ) 1 1 / 122 KTONKA DASA

11 Perhatikan bahwa kedua arus terakhir di atas adalah sama dengan, dan Kita mempunyai. (11.12) + / + 1 ( β ) Dua parameter pada persamaan yang bervariasi antara transistor satu dengan lainnya adalah dan β. biasanya berharga sekitar 0,2, sehingga pembilang sedikit tergantung pada jenis transistor jika 0,6 >> 0,2 atau 3 (misalnya) β biasanya berharga paling tidak 25, sehingga penyebut pada persamaan tidak tergantung pada jenis transistor jika >> / 26 Kita tidak perlu menginagt-ingat persamaan di atas, namun dua langkah yang perlu diingat adalah: i) Gantikan rangkaian pembagi potensial dengan rangkaian yang lebih sederhana. ii) Gunakan analisa rangkaian dengan hukum Kirchhoff tentang tegangan pada loop basis-emitor. Metode perhitungan lain adalah dengan menggunakan pendekatan perhitungan 1 untuk dan mengabaikan arus basis. Dari sini kita dapatkan pendekatan harga, dan. Selanjutnya didapat pendekatan yang lebih baik untuk sebagai Tegangan Panjar Transistor 123

12 d _ f e ^ g h _ 2 1 Jika digunakan dua pencatu daya, rangkaian di atas dapat disederhanakan seperti terlihat pada gambar Di sini masukan tidak perlu dipasang kapasitor, dan masukan akan berubah-ubah terhadap tanah (ground). f k l j j b c ` a i i Gambar 11.8 Penyederhanaan rangkaian dengan menggunakan pendekatan ontoh 1 Pada gambar 11.4 misalnya rangkaian mempunyai 10 5 k] panjar 1 M] Hitung nilai panjar jika β berharga i) 30 ii) 100 iii) KTONKA DASA

13 Jawab Untuk semua keadaan terdapat 0,6, sehingga 9,4 /1 Mo 9,4 m n i) β 0,282 ma 10 0, ,59 (nilai yang sedikit terlalu tinggi) ii) 100 9,4 p q 0,94 ma 10 0,94 5 5,3 (panjar yang baik) iii) 300 9,4 p q 2,82 ma 10 2,82 5-4,1 tentu saja nilai ini jelas salah. Dengan menggunakan β, kita secara implisit berasumsi bahwa transistor berada dalam daerah aktif, asumsi ini salah. Jelas transistor berada pada tegangan yang sangat rendah, atau berada pada daerah jenuh. Kita dapat menduga 0,2 saat ( 10 0,2) / 5 kr 1,96 ma Keadaan panjar ini sangat tidak cocok untuk suatu penguat. Tegangan Panjar Transistor 125

14 ontoh 2 Pada gambar 11.6 misalnya rangkaian mempunyai 10 5 ks panjar 470 ks Hitung nilai panjar jika β berharga i) 30 ii) 100 iii) 300 Jawab Perhatikan bahwa ( β ) mempunyai dan keduanya mengalir melalui ( ) panjar / ( + ) β 1 β / ( + 1)( ) panjar x β / Sebut ( + 1) panjar x + x. Karenanya kita + x 1 + x i) Untuk β 30 x 31 5/ 470 0, ,33 0,6 1,33 7,67 (harga panjar yang tidak terlalu bagus) ( β 1) ( 10 6,67) /5 ks + 0,45 ma 126 KTONKA DASA

15 Pada perhitungan panjar di atas kita banyak menggunakan bantuan aljabar. Kita dapat mencoba menggunakan pendekatan lain dengan memulai dari memasang maka 5 (5 0,6) /470 kω 9,36 µa ( β + 1) ( )/ 5 /5 kω 1 ma sehingga ini dapat dicapai jika ( β + 1) 1 ma/9,36 µa 107 Untuk β 30 kita harus mempunyai arus basis yang lebih, sehingga kita coba yang lebih tinggi, katakan 7. Jadi (7 0,6) /470 kω 13,6 µa 0,6 ma ( β + 1 ) 44 ( β 43) Jelas kita tidak akan mencoba yang terlalu tinggi; kita coba 7,5. 14,7 µa ( + 1) β 0,5 ma ( β + 1 ) 34 ( β 33) Dengan ekstrapolasi dari kedua percobaan kita di atas, selanjutnya kita dapat menduga Saat , ,65 15 µa ( + 1) β 0,47 ma ( β + 1 ) 31, 3 ( 7,5 7,0) Tegangan Panjar Transistor 127

16 hasil ini nampaknya sudah cukup baik, mengingat resistor yang digunakan juga memiliki toleransi misalnya 5%. ii) Untuk β 100 x / 470 1, ,074 0,6 2,074 5,13 (harga panjar yang bagus) ( 100 /101) ( 10 5,13) /5 kt 0,964 ma. Sebaiknya kita perlu curiga apakah kita tidak melakukan kesalahan perhitungan. Kita dapat memeriksa dengan menghitung (5,13 0,6) /470 kω β 9,64 µa 0,964 ma/9,64 u v 100 dan ternyata sudah benar. iii) Untuk β 300 x / 470 3, ,202 0,6 4,202 2,84 ( 300 / 301) ( 10 2,84) /5 kt 1,43 ma. 128 KTONKA DASA

17 ontoh 3 Pada gambar 11.7 misalnya rangkaian mempunyai kw 1,8 kw 470 kw 120 kw Hitung nilai panjar jika β berharga i) 30 ii) 100 iii) 300 Jawab Dengan menggunakan persamaan 11.7 dan 11.8 didapat / 590 2, kw // 470 kw 95,6 kω i) Untuk β 30 ( β + 1) + ( 2,44 0,6) ( 31 1,8 + 95,6) 12,15 x y 0,36 ma β x y 30 12,15 kw 12 0, ,18 (agak 0,38 ma terlalu tinggi) Tegangan Panjar Transistor 129

18 0,38 1,8 0,68 + 0,68 + 0,6 1,28 9,5 Perhatikan bahwa berada di bawah, keadaan panjar ini akan bekerja lebih baik jika perbedaan keduanya semakin kecil. ii) Untuk β 100 ( β + 1) + ( 2,44 0,6) ( 101 1,8 + 95,6) 6,63 z { 0,663 ma β z { 100 6,63 k 12 0, ,68 (masih agak terlalu tinggi) 0,670 ma 1,2 + 1,8 130 KTONKA DASA

19 iii) Untuk β 300 ( β + 1) + ( 2,44 0,6) ( 301 1,8 + 95,6) 2,89 } ~ 0,866 ma β } ~ 300 2,89 k 12 0, ,67 (panjar yang cukup bagus) 0,869 ma 1,56 + 2,16 Harga ini sedikit di bawah, dan rangkaian panjar cukup cocok untuk transistor dengan β yang sedemikian tinggi. ontoh 4 Ulangi contoh 3 untuk 1, 2 yang diturunkan sepuluh kali lebih rendah, yaitu k 12 k Jawab tidak berubah 9,56 kω Tegangan Panjar Transistor 131

20 i) Untuk β 30 ( β + 1) + ( 2,44 0,6) ( 31 1,8 + 9,56) 28,2 0,845 ma β 30 28,2 k 12 0, ,78 0,873 ma 1,57 + 2,17 Harga ini tidak terlalu jauh dari harga, sehingga kondisi panjar di atas cukup bagus. ni akibat kita menaikkan arus pada pembagi tegangan dan arus basis. Perhitungan untuk kondisi ii) dan iii) dapat diteruskan, secara cepat ambil pendekatan dengan mengabaikan arus basis. ontoh 5 Pada gambar 11.8 misalnya rangkaian mempunyai 100 k 220 k 15 Hitung nilai panjar rangkaian. Jawab Secara sederhana kita mempunyai 0 0,6 132 KTONKA DASA

21 ( 0,6 15) 65,5 ƒ / 220 k Karena secara efektif kita mempunyai 0, β tidak diperlukan lagi. Kita dapat mengabaikan untuk menghitung 65,5 ƒ ƒ 15 65,5 8, k dan 9,05 Tegangan Panjar Transistor 133