Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 147 BAB V ANALSA DC PADA TRANSSTOR Transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah suatu devais nonlinear terbuat dari bahan semikonduktor dengan 3 terminal yaitu Basis B, kolektor C dan emiter E yang tersusun dari semikonduktor tipe-n dan tipe-p. Dikenal ada dua tipe transistor, yaitu: NPN dan PNP. Transistor merupakan salah satu divais yang dikontrol oleh arus. Gambar skematik dari transistor ditunjukkan pada gambar berikut ini. E C E C n p n p n p B B NPN PNP Gambar 1, Model fisis dan simbul transistor NPN dan PNP Notasi V BE = V B - V E V CE = V C - V E V CB = V C - V B B : arus sinyal DC (signal besar) di basis. i b : arus sinyal AC (signal kecil) di basis.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 148 Untuk BJT Emiter jauh lebih banyak di doped (diberi pengotoran) dibandingkan dengan Basis. Selanjutnya ketebalan antara emiter dengan kolektor merupakan faktor yang penting Untuk ketebalan d yang kecil dipakai terutama untuk operasi pada frekuensi tinggi (misalnya untuk switch frekuensi tinggi). Ada dua faktor yang menyebabkan jumlah perpindahan pembawa muatan yang melewati basis ke kolektor lebih sedikit dibandingkan dengan jumlah perpindahan pembawa muatan dari emiter ke basis ( B < E ) : 1. Terminal Basis pada transistor tipe npn, yaitu tipe-p (sedikit di doped ) akibatnya perpindahan hole dari basis ke emiter sama seperti pada hubungan p-n dalam bias maju (forward bias). 2. Beberapa elektron yang melewati basis akan rekombinasi dengan hole sebelum mencapai pengaruh beda potensial antara Basis-Collector Kedua hal ini yang menyebabkan arus B kecil dibadingkan dengan C, dan dapat dinyatakan sebagai: C = h FE B dengan h FE = β = penguatan arus DC pada konfigurasi CE (common emitter), nilainya selalu >1. Sedangkan bila ada arus bocor, maka: C = h FE B + CEO dengan CEO : arus yang mengalir dari kolektor ke emiter pada saat terminal basis open (yaitu pada saat B = 0). Sebaliknya arus kolektor dapat juga dinyatakan sebagai:
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 149 i C = α i E + CBO dan dari KCL i B = i E - i C = i E - (α i E + CBO ) = (1-α) i E - CBO Sehingga i E = 1/α (i C - CBO ) Didapat i B = i E - i C = 1/α (i C - CBO ) - i C Akhirnya diperoleh : 1 α CBO 1 CBO ib = ic = ic α α β α dengan β = h FE α = h FB Hubungan CEO dengan CBO Dari α i = βi + = i + = h i + 1 α c B CEO B CEO FE B CEO Sehingga β i B = i C - CEO Sebelumnya β i B = i C - (β/α) CBO Jadi CEO = (β+1) CBO ingat α β = 1 α
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 150 NOTAS V AK v AK v ak v AK = V AK + v ak V AK besaran DC (quiescent) v ak besaran AC v AK besaran sesaat total V ak besaran rms dari besaran AC V akm besaran amplitudo dari besaran AC Contoh : v AK = 6 + 4 sin 2000 π t V AK = 6 volt, v ak = 4 sin 2000 π t volt, V akm = 4 volt, V ak = 2 2 volt Pembiasan pada transistor ditunjukkan pada gambar berikut
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 151 C C B V CC B V CC V BB E V BB E NPN PNP Karakteristik Transistor Karakteristik nput ( B vs. V BE pada V CE konstan) Dengan membuat V CE konstan dapat di plot B vs. V BE seperti ditunjukkan pada gambar berikut : (sama seperti dioda p-n) B(mA) V CE =1V V CE =10V V CE =20V B V CE V BE 0,7 V V BE Karena sebagian besar pembawa muatan akan melewati/menyebrangi junction B-E ke kolektor, sehingga arus basis menjadi jauh lebih kecil dibandingkan dengan sebuah dioda p-n dengan faktor h FE. Dengan mengubah V CE efeknya tidak banyak berubah, yaitu dengan
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 152 penambahan V CE arus B berkurang. Arus B akan mengalir jika V > 0,7V, seperti ditunjukkan pada kurva karakteristik input di atas. BE Karakteristik output ( C vs. V CE dengan B konstan) C (ma) B = 60?A V CC B = 40 ma B = 20?A B = 0??A V CE Sat V CE h h fe E = C + B ie Δv = Δ i Δi = Δ i C BE B B V CEsat h FE = C B Pada saat B = 0, arus C yang mengalir adalah arus bocor CEO (pada umumnya diabaikan), sedangkan pada saat B 0 (misalnya 20 μa untuk V CE kecil ( < < 0,2 volt), pembawa muatan di basis tidak efisien dan transistor dikatakan dalam keadaan Saturasi dengan B > C. Pada h FE saat V CE diperbesar C pun membesar hingga melewati level tegangan V CE saturasi (0,2 ~ 1 volt) hingga transistor bekerja dalam daerah aktif, dengan B = C. Pada saat ini h C relatif konstan terhadap variasi FE tegangan V CE.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 153 Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan : 1. Pada daerah aktif C hampir independen terhadap V CE. C hanya bergantung pada B Penguatan arus. 2. Penambahan C relatif kecil terhadap V CE. Dengan penambahan V CE akan memperlebar lapisan B-C dan hal ini akan mengurangi lebar efektif dari basis dan selanjutnya akan menamba efisiensi dari penarikan (perpindahan) elektron ke kolektor. 3. Diatas tegangan V CE tertentu (pada gambar berupa garis putusputus) akan ada penambahan C yang sangat besar karena hubungan B-C mendapat bias mundur breakdown dan akan menyebabkan transistor rusak. 4. Nilai V CE tidak bertambah secara signifikan dengan penambahan B. Perhatikan rangkaian berikut ini, diketahui penguatan arus untuk transistor 2N4424 adalah β dc = 350. Dengan mengambil pendekatan (anggap V BE = 0,7 V), maka arus yang mengalir pada basis adalah: (lihat loop basis emitter, sumber tegangang dan R B )
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 154 B VBB VBE 10V 0,7V = = = 28,2μA R 330kΩ B Sehingga = β = 9,87 ma C dc B Tegangan V = V R = 10V 9,87mA 470Ω= 5,36V CE CC C C Daerah operasi dari transistor 1. Dareah aktif Basis - Emiter : mendapat bias maju Basis Kolektor : mendapat bias mundur Pada npn arus b positif dan V ce > V be. 2. Daerah cut-off Kedua junction mendapat bias mundur Untuk npn arus b 0 (tak ada arus menuju basis atau arus meninggalkan basis) 3. Daerah saturasi Kedua junction mendapat bias maju Untuk npn arus b positif dan V ce V be TRANSSTOR SEBAGA SAKLAR Transistor dapat dianalogikan sebagai saklar push-botton, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 155 V CC R C V CC 5 volt 5 volt C C R C 1k? 1k? B V Y Gaya V Y (a) (b) Gambar 1, Analogi transistor sebagai saklar push button. Agar saklar push-button dapat difungsikan diperlukan gaya yang bergantung dengan konstanta pegas yang terdapat di dalam saklar tsb, sedangkan pada transistor diperlukan arus tertentu pada basis agar dapat menghidupakan saklar transistor. Dari Gambar 1a terlihat bahwa : V = V R = V β R y CC C C CC B C Jika B = 0, maka diperoleh V y = V CC. Sebaliknya jika B = 0,25 ma (untuk β = 20, R C = 1 kω dan V CC = 5 V), diperoleh V y = 0 volt. Artinya jika pada transistor diberi arus, maka tegangan di kolekor V C = 0 volt. Hal ini menunjukkan bahwa transistor bertindak sebagai saklar. Namun jika B = 0,1 ma, diperoleh V y = 3 volt. Hal ini berarti bahwa tidak sepenuhnya ON atau OFF, seperti saklar konvensional dengan kontak yang jelek. Dari rangkaian Gambar 1a dapat disimpulkan bahwa tegangan (V y ) min = 0 volt dan (V y ) max = 5 volt, artinya ( C ) max = 5 ma. Sebaliknya jika C = 1 ma, maka V y = 4 volt. Kondisi ini transistor dalam keadaan saturasi (pada saklar ditekan dengan keras). Umumnya dalam rangkaian logika transistor dirancang bekerja dalam daerah cut-
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 156 off dan daerah saturasi. Pada rangkaian saklar push-button tegangan V y = 0 volt pada saat saklar ditekan, sedangkan pada rangkaian saklar transistor, tegangan V y = 0,1-0,2 volt, tegangan ini dikenal sebagai tegangan saturasi. Dalam prakteknya kontrol arus B biasanya dihasilkan dari sumber tegangan seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini, berikut kurva V- input dan kurva V- outputnya. V CC R C V in B 2k? 5 volt C 1k? V Y 3 2 1 B 0,2 garis beban 2k? untuk V i = 0,2 volt garis beban 2k?untuk V i = 2,4 volt 2,4 1 2 3 V BE C (ma) 5 Garis beban R C =1k? 1,2 1,0 0,8 0,6 daerah aktif 0,4 0,2 5 0,1 0 V CE Gambar 2, Rangkaian transistor saklar dengan kurva V- nya. Pada saat V in = 2,4 volt, maka arus yang mengalir pada terminal basis adalah: dan B 2,4 volt Vγ 1, 7 volt = = = 0,85 ma 2 kω 2 kω ( C) max β = 20 0,85 ma=17 ma >, B dengan demikian transistor dalam keadaan saturasi dan saklar dalam keadaan ON.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 157 Sebaliknya jika V i = 0,2 volt, tegangan ini kurang dari tegangan threshold V γ, sehingga B = 0 ma, atau saklar transistor dalam keadaan OFF dan tegangan V y = 5 volt. Suatu transistor akan beroperasi dalam daerah saturasi jika V CC C >, RC dengan R C adalah hambatan di kolektor dan V CC adalah tegangan supply. Cara lainnya adalah dengan mengukur V CE 0,2 volt, atau V CE < V BE. Untuk merancang agar transistor beroperasi dalam daerah saturasi VCC dilakukan dengan membuat C > 10. R PEMODELAN TRANSSTOR Model 1: Transistor sebagai penguat arus Sifat sifat untuk transistor tipe NPN adalah sbb: (untuk PNP ubah polaritasnya) 1. Kolektor harus lebih positif dari emiter BE dibias maju. 2. Hubungan basis-emiter dan basis-kolektor seolah-olah seperti dioda. 3. Setiap transistor memiliki nilai maksimum C, B dan V CE. Nilai-nilai ini tidak boleh dilebihi, termasuk C V CE (disipasi daya), suhu opersasi, V BE dll. 4. C = h FE B = β B. C Konfigurasi pengoperasian transistor 1. Common Base (Basis Bersama) 2. Common Emitter (Emiter Bersama)
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 158 3. Common Collector (Kolektor Bersama) Karakteristik dari masing-masing konfigurasi diberikan berikut ini: Konfigurasi A A V Z in Z out A P CB h FB ~ 0,99 ~ 50 ~ 50 Ω ~ 250 kω ~ 50 CE h FE ~ 250 ~ 50 ~ 1 kω ~ 50 kω ~ 2500 CC h FE ~ 250 1 ~ 100 kω ~ 1 kω ~ 50 Konfigurasi Basis Bersama Penguatan pada konfigurasi basis bersama adalah hfb berharga < 1, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini. C = = α dan E Konfigurasi ini jarang dipakai, namun demikian ada beberapa keuntungannya, yaitu : C vs. V CB sangat flat (datar) Untuk V CB = 0, C sudah konduksi Bila ada arus bocor CBO = CO, maka :
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 159 C = h FB E + CBO Sehingga : C = h FB ( C + B ) + CBO atau h 1 h 1 h = FB C B + FB Didapat : CBO FB h FE hfb α = 1 1 h FB β = α CEO = CEO = 1 h CBO FB Jika h FB ~ 1, maka CEO = h FE CBO Konfigurasi Common Collector = Pengikut Emiter Perhatikan gambar berikut ini.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 160 V CC V R V O Pada saat t = t 1 kaki basis mendapat tegangan negatif kolektor- basis bias mundur emiter-basis bias mundur akibatnya transistor beropersai dalam daerah cut-off, Jadi perlu bias. V in V out 0,7 t Cara pembiasan yang dilakukan adalah dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 161 V CC R 1 R 1 v cc v cc R 2 v o R 2 R E R E Gambar 2, Rangkaian Emiter bersama dan ekivalennya Rangkaian pembiasan Kolektor Bersama tsb diubah menjadi gambar di sebelahnya, yaitu dengan seolah-olah memisahkan tegangan catu V CC menjadi dua buah. Pencatuan pada terminal Basis diubah menjadi rangkaian berikut : R2 dengan VTH = R + R 1 2 V CC R TH = RR 1 2 R + R 1 2 R TH B V CC V TH A E R E Gambar 3, Rangkaian ekivalen Emiter bersama E = B + C
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 162 Pada daerah aktif : C = h FE B E = B + h FE B = ( 1+h FE ) B Rangkaian ekivalen dari loop A ditunjukkan pada gambar berikut dengan menggantikan hambatan R E dengan (h FE + 1)R E. Hal ini terjadi karena arus yang mengalir pada hambatan R E tsb adalah E, sedangkan pada rangkaian ekivalen arus yang mengalir adalah B. R TH 0,7 V TH (h FE +1)R E Gambar 4, Rangkaian ekivalen loop A dari Gambar 3 Dari loop tsb dengan memanfaatkan KVL, diperoleh : R 2 R + R 1 2 R 2 R + R 1 2 V V CC diperoleh : CC RR 1 2 R + R 1 2 = B + 0,7+ E R E RR 1 2 R + R 1 2 = B + 0,7 + (h FE + 1)R E
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 163 B R V 0,7 2 CC R1+ R2 = RR 1 2 + (1+ h FE )R E RR 1 2 C = h FE B E = (1 + h FE ) B V BE =0,7 volt V CE = V C - V E = V CC - E R E Untuk pembiasan optimal cari nilai-nilai R 1, R 2, R E agar V CE 1/2 V CC Konfigurasi Emiter Bersama untuk penguat tegangan C R L B V CC V BB AC v s v CE = V CC - i C R L ΔvCE Av = Δ vbe Δv BE = v s Rangkaian ekivalen (BJT yang disederhanakan) adalah :
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 164 B C AC h ie AC Vs b = hie V=V =R =h R = h V R s o ce c L fe b L fe L hie V h R o fe L Jadi Av = = Vs hie h fe sebenarnya bervariasi terhadap v CE, namun variasinya tidak terlalu besar, sebagai pendekatan bisa dianggap konstan. Garis beban Dari persamaan v CE = V CC - i C R L menunjukkan bahwa persamaan ini adalah persamaan garis lurus antara v CE vs. C. Untuk membuat garis beban dilakukan dengan : membuat i C = 0, maka v CE = V CC v CE = 0, maka i C = V CC R L Misalkan data transistor seperti kurva di samping titik A B untuk v CE = 12 volt = V CC untuk v CE = 0 volt i C = 3,6 ma (dari gambar) maka R L 33 kω.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 165 Ambil Q (titik kerja) kira-kira di tengah garis beban i B = 20 μa i C = 1,7 ma v CE = 6,5 V Titik C : i B = 30 μa, i C = 2,4 ma dan v CE = 4 V. D : i B = 10 μa, i C = 0,9 ma dan v CE = 9 V. Dari kurva karkteristik input BQ = 20 μa, V BEQ = 0,73 V i B = 30 μa dan v BE = 0,74 V i B = 10 μa dan v BE = 0,72 V Maka Δv 9 4 5 = = = = CE Av 250 ΔvBE 0,72 0,74 0,02 0 6 12
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 166 Konfigurasi Emiter Bersama Konfigurasi emiter bersama di atas ada kekurangannya karena diperlukan dua sumber tegangan DC yag berbeda, yaitu V BB dan V CC. Konfigurasi berikut ini ada keunggulannya dalam hal hanya memerlukan satu sumber tegangan DC, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. R 1 R c R 2 R e Gambar 5, Konfigurasi Emiter bersama yang diperbaiki Untuk analisa DC (pembiasan transistor), dari rangkaian tsb tegangan catu V CC seolah-olah ada dua buah V CC seperti gambar berikut dan selanjutnya diubah dengan menerapkan teorema Thevenin seperti yang juga ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 167 R 1 R c Rc V CC V CC R TH B V CC R 2 R e V CC R 2 R + R 1 2 E R E Gambar 6, Rangkaian ekivalen emiter bersama Dari E = B + C, maka E = (1+h FE ) B Di terminal basis, dapat diganti dengan rangkaian pengganti Thevenin, R2 RR 1 2 dengan VTH = VCC dan RTH =. R + R R + R 1 2 1 2 Sehingga persamaan pada loop input adalah: Diperoleh: R RR V 0,7 R (1 + h ) = 0 R R R R 2 1 2 CC B E FE B 1+ 2 1+ 2 B = 1 2 V 0,7 R2 R1+ R2 CC RR 1 2 R + R + (1 + hfe ) RE C = h FE B E = (1+h FE ) B
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 168 hfe Sehingga diperoleh: C = E artinya untuk h FE besar, misalnya hfe + 1 hfe untuk h FE = 100, 0,99 artinya E C. h + 1 Contoh: V E = E R E FE V B = 0,7 + V E V BE = 0,7 volt = V B - V E V CE = V C - V E V C = V CC - C R C V CE = V C - V E Perhatikan rangkaian konfigurasi emitter bersama berikut ini dan tentukan DC operating point-nya, jika h FE = 200. Rangkaian tsb diubah menjadi rangkaian berikut
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 169 Diperoleh 2.2kΩ V th = 10V = 1.8V 2.2kΩ + 10kΩ Vth = V, B dan R th 2.2kΩ 10kΩ = = 1.8kΩ 2.2kΩ + 10kΩ Sehingga arus basis adalah B = Vth 0.7 R + (1 + h ) R th FE E = 5.4 μa dan C = hfe B = 1.08mA E 1.08mA C VE = E RE = 1.08V VC = VCC C RC = 10V - 1.08 ma 3.6 k Ω = 6.11 V atau V = V V = 5.03V CE C E Dengan menggunakan simulasi berikut ini
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 170 Diperoleh:
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 171 Latihan 1. Hitung B, C, E, V B, V E, V C dan V CE dari rangkaian berikut, diketahui h FE = 50 untuk a. R 1 = 300 kω b. R 1 = 200 kω 15 volt R 1 4,7 k? v out Catatan C = h FE B hanya berlaku untuk transistor dalam daerah aktif (tidak jenuh/saturasi) 2. Hitung B, C, E, V B, V C, V E dan V CE untuk rangkaian di bawah ini bila dianggap transistor memiliki h FE = 100. 15 volt 100 k? 2,2 k? 18 k? 470? v out 3. Untuk rangkaian emiter follower berikut ini entukan c dan V CE, diketahui h FE = 200. V CC =15 V 47 k? 56 k? 4,7 k? v out
Bab V, Analisa DC pada Transistor Hal: 172 4. Untuk rangkaian emiter bersama berikut ini, tentukan C dan V CE jika h FE = 100. V CC = 10V 56 k? 4,7 k? v out v in 10 k? 470? 560??