BAB II Transistor Bipolar 2.1. Pendahuluan Pada tahun 1951, William Schockley menemukan transistor sambungan pertama, komponen semikonduktor yang dapat menguatkan sinyal elektronik seperti sinyal radio dan televisi. Transistor merupakan alat dengan tiga terminal seperti yang diperlihatkan oleh simbol sirkit pada gambar 2.1. Setelah bahan emikonduktor dasar diolah, terbentuklah bahan semikonduktor jenis p dan n. walaupun proses pembuatannya banyak, pada dasarnya transistor merupakan tiga lapis gabungan kedua jenis bahan tadi, yaitu n p n atau p n p. Gambar 2.1. Simbol sirkit untuk transistor. (a) n p n ; (b) p n p Simbol sirkit kedua jenis transistor itu hampir sama. Perbedaannya terletak pada arah panah diujung emitter. Seperti yang telah diketahui, arah panah ini menunjukkan arah aliran arus konvensional yang berlawanan arah dalam kedua jenis tadi tetapi selalu dari jenis bahan p ke jenis n dalam sirkit emitter dasar. Untuk menghindarkan kesalahan, transistor yang dibicarakan di sini selalu n p n, kecuali bahwa polaritas tegangan suplai
pada sirkit memakai tansistor jenis p n p terbalik dan arus mengalir dalam arah yang berlawanan dengan sirkit yang memakai transistor n p n. 2.1. Transistor n p n Kolektor dan emitter merupakan bahan n dan lapisan diantara mereka merupakan jenis p. Pada mulanya diperkirakan bahwa transistor seharusnya bekerja dalam salah satu arah saja, ialah dengan saling menghubungkan ujung- ujung kolektor dan emitter karena mereka terbuat dari jenis bahan yang sama. kolektor berukur an lebih besar dan kebanyakan dihubungkan secara langsung ke kotaknya untuk penyerapan panas. Ketika transistor digunakan hampis semua panas yang terbentuk berada pada sambungan basis-kolektor yang harus mampu menghilangkan panas ini. Sambungan basis emitter hanya mampu menahan tegangan yang rendah. Operasi dalam arah balik dapat dijalankan tetapi tidak efisien, sehingga tidak sesuai dengan metode hubungan praktis karena sangat sering merusakkan alat. Pada umumnya transistor dianggap sebagai suatu alat yang beroperasi karena adanya arus. Kalau arus mengalir kedalam basis dan melewati sambungan basis emitter, suatu suplai positif pada kolektor akan menyebabkan arus mengalir diantara kolektor dan emitter. Dua hal yang harus diperhatikan pada arus kolektor ini ialah: - Untuk arus basis non, arus kolektor turun sampai pada tingkat arus kebocoran, yaitu kurang dari 1µA dalam kondisi normal (untuk transistor silikon). - Untuk arus basis tertentu, arus kolektor yang mengalir akan jauh lebih besar daripada arus basis itu. Arus yang dicapai ini disebut h FE, dengan
ic h FE = = i B perubahan arus kolektor perubahan arus basis Dioda Emiter dan Kolektor Transistor memiliki dua sambungan dioda, satu antara emiter dengan basis dan yang lain antara kolektor dengan basis. Karena itu transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang. Dioda bawah disebut dioda emiter- basis (dioda emiter) dan dioda atas disebut dioda kolektor-basis (dioda kolektor) Gambar 2.2. Susunan dua diode yang sama dengan transistor Cara pengujian transistor adalah sebagai berikut : 1. Anggaplah transistor itu berjenis n p n. 2. Sebuah terminal akan terhubung ke kedua terminal yang lain kalau positif dihubungkan kepadanya dan negatif ke kedua terminal yang lain tadi, inilah basisnya (lihat gambar 6.3.) 3. Salah satu terminal yang tersisa merupakan kolektor, sedangkan yang lain adalah emitter. Hubungankan positif ke kolektor dan negatif ke emitter. Bila diukur dengan ohmmeter, harus terlihat bahwa tahanannya tinggi. 4. Gabungkan kolektor ke basis bertahanan tinggi, misalnya jari yang basah dan arus basis akan mengalir, menyebabkan tahanan
emitter kolektor turun dengan drastis. Penurunan ini terlihat pada ohmmeter. 5. Kalau hasil ini tidak tercapai pasti terdapat kekeliruan, yaitu kolektor dianggap sebagai emitter. Pertukarkan hubungannya dan cobalah lagi. 2.2. Transistor Bias Sebuah transistor tidak terbias adalah seperti dua dioda yang saling bertolak belakang. Masing- masing dioda memiliki potensi pembawa mendekati 0.7V, jika kita hubungkan sumber tegangan dari luar ke transistor maka kita akan memperoleh arus yang melalui bagian-bagian yang berbeda pada transistor. Elektron Emiter Gambar 2-3 menunjukkan transistor bias, tanda minus mewakili elektron bebas. Emitor yang dikotori oleh elektron bebas jumlahnya banyak sekali dan mempunyai tugas menginjeksi elektron bebas tersebut ke basis. Sedangkan pada basis mulai dikotori oleh elektron yang diinjeksikan dari emitor dan akan melewatkan ke kolektor.
Gambar 2.3. Transistor yang Dibiaskan Elektron Basis Pada saat bias maju elektron dalam emitor belum memasuki daerah basis. Jika Vbb lebih besar dari potensial penghalang antara emitor- basis maka elektron emitor akan memasuki daerah basis. Elektron bebas ini dapat mengalir ke kiri dan keluar basis, melalui Rb menuju terminal positif sumber. Kedua, elektron dapat menuju ke kolektor. Elektron ini akan lebih banyak ke kolektor karena basis sangat tipis dan sedikit dikotori oleh elektron. Dan hampir seluruh elektron yang diinjeksikan dari emitor akan melewati basis menuju kolektor. Gambar 2.4. Elektron bebas menuju Basis Elektron Kolektor Setelah elektron lebih banyak berada dikolektor dan ada tarikan dari tegangan sumber Vcc maka elektron bebas mengalir ke kolektor dan melalui Rc menuju terminal positif dari tegangan penyedia kolektor (Vcc). Ringkasan kejadian setelah Vbb membias maju dioda emitor, memaksa
elektron bebas pada emitor menuju basis. Basis yang tipis dan sedikit dikotori akan memberikan waktu yang cukup bagi hampir semua elektron ini untuk berdifusi ke kolektor, melalui Rc dan ke terminal positif dari tegangan sumber Vcc. Gambar 2.5. Elektron bebas dari Basis mangalir menuju Kolektor 2.3. Karakteristik Operasi Transistor Karakteristik operasi tiap transistor yang menyatakan spesifikasinya tidak boleh dilampaui. Lembaran data memberikan nilai- nilai penting; beberapa diantaranya diberikan dan diperlihatkan pada gambar 2.6. VCBO = Tegangan basis kolektor maksimum (kolektor + VE) V CEO = Tegangan emitter kolektor maksimum (kolektor + VE ) V EBO = Tegangan basis emitter maksimum (emitter + VE ) P tot = Total daya yang diperlukan oleh transistor
Gambar 2.6. Karakteristik operasi tegangan transistor 2.4. Arus Transistor Karena emitor adalah sumber elektron maka emitor memiliki arus yang paling besar. Karena sebagian besar elektron emitor mengalir ke kolektor, arus kolektor hampir sebesar arus emitor. Arus basis sangat kecil sebagai perbandingan, seringkali kurang dari 1 persen dari arus kolektor. Ingatlah hukum arus Kirchoff, hukum ini mengatakan bahwa jumlah arus yang masuk ke satu titik atau sambungan, sama dengan jumlah semua arus yang keluar dari titik atau sambungan itu. Ie = Ic + Ib Persamaan ini menyatakan bahwa arus emitor adalah jumlah arus kolektor dan arus basis, karena arus basis sangat kecil, sehingga arus kolektor kira- kira sama dengan arus emitor, Ic Ie, Ib << Ic
.1. Transistor Sebagai Saklar Perhatikanlah transistor dalam sirkit pada gambar 6.5. Jika arus basis I B nol, arus kolektor I C akan menjadi arus kebocoran yang rendah dan tegangan yang melalui resistor muatan R L akan sia- Sistem Informasi Akuntansdi. Oleh karena itu, V CE V CC tegangan suplai Kalau jumlah nominal I B kecil, I C akan sama dengan h FE I B dan tegangan yang melalui R L, akan menjadi: V R = I C R L dan V CE = V CC I C R L Naiknya I B akan menyebabkan I C naik terus hingga mencapai titik I C R L V CC, yaitu ketika I C tidak dapat naik lagi, meski I B tetap naik. Pada titik ini transistor dikatakan mendapat aliran secara keras, sampai ke dasar, atau sarat, dan tegangan VCE disebut VCE sarat tegangan output yang sarat. Biasanya teganga n ini sebesar 0,2V untuk transitor silikon serta dapat sekecil beberapa puluh milivolt, tetapi tidak lebih dari 0,3 V. Perlu diperhatikan bahwa pada titik ini dapat diberikan daya beban yang lebih besar daripada daya transistor yang seharusnya, jika daya itu diganti dengan cepat.
Gambar 2.7. Transistor sebagai saklar CONTOH Diketahui sebuah transistor mengatur beban 0,5A dengan suplai d.c. 12V. 1. Ketika transistor itu OFF (mati): Anggaplah IC = 1µA yaitu hanya sebesar arus kebocoran. V CE V CC = 12 V Ole h karena itu, pemakaian daya oleh transistor, P = V CE x I C = 12 x 1 = 12 µ W 2. Ketika transistor itu ON (hidup atau sarat), IC = 0,5 A V CE = V CEsarat 0,2V Oleh karena itu, pemakaian daya oleh transistor, P = V CE x I C = 0,2 x 0,5 = 0,1 W 3. Ketika transistor itu baru bekerja setengah jalan:
I C = 0,25 A V CE = 6 V Oleh karena itu, pemakaian daya oleh transistor P = V CE x I C = 6 x 0,25 = 1,5 W yang mungkin berlebihan bagi transistor tadi. Kalau daerah pemakaian daya di tengah dapat dilalui dalam waktu singkat, transistor itu akan bekerja baik dengan daya ON dan OFF ekstrem yang rendah, dan segalanya akan berjalan dengan lancar. Catatan: arus beban tidak boleh melebihi I C(maks) Transistor jenis biasa mati dan hidup pada frekuensi ratusan kilohertz. Dengan kata lain, transistor ini hidup satu kali dan mati satu kali dalam waktu kurang dari 10 µs. Transistor sebagai saklar berkecepatan tinggi mampu bekerja pada frekuensi sampai beberapa gigahertz. Latihan Praktek 6b Transistor sederhana sebagai saklar 4. Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.6. dan ukurlah benar V BE, V CE serta I C : a. dengan penghubungnya OUT b. dengan penghubungnya IN dan lengkapilah tabel di bawah ini: Penghubung OUT Penghubung IN VBE VCE IC
1. Sekarang susunlah sirkit seperti pada gambar 6.7, lalu setelah generator fungsi ke gelombang siku-siku 5 Hz dengan amplitudo minimum dan hubungkanlah ke terminal input sinyal pada sirkit. Gambar 2.8. Saklar transistor sederhana Gambar 6.7. Saklar transistor untuk mengukur waktu pengubahan keadaan Catatan: Diode berfungsi untuk melindungi sambungan emitter basis dari tegangan arah terbalik selama setengah siklus negatif dari sinyal yang diberikan. 2. Naikkan amplitudo sinyal sampai transistor mengubah lampu menjadi ON dan OFF.
3. Gunakanlah CRO kurva ganda untuk meneliti gelombang siku- siku input dan bentuk gelombang tegangan output V CE, lalu ukurlah waktu yang diperlukan oleh transistor untuk berubah. 4. Naikkan frekuensi sinyal dan lihatlah apakah waktu perubahan itu terpengaruh. Gambar 2.9. Saklar transistor yang beroperasi dengan adanya cahaya Latihan praktek 6c Saklar pengatur cahaya Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.8 dan cobalah berbagai ukuran resistor R sampai lampu menjadi ON ketika ORP 12 terlindung dari cahaya (lampu parkir otomatis). Sekarang ubahlah posisi R dan ORP12; lihatlah apa yang terjadi. Latihan praktek 6d Saklar dua kestabilan yang beroperasi secara manual
Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.9. Di situ kedua transistor dikatakan tergabung secara bersilangan. Kalau sup lai dihidupkan, hanya sebuah lampu yang menyala. Hal ini disebabkan oleh transistor yang menyala pertama akan mempunyai tegangan sarat hannya sekitar 0,2V, yang tidak akan dapat menyalakan transistor ke dua. Dari latihan praktek 6b dapat dilihat bahwa V BE sebesar sekitar 0,7V pada keadaan ON. Gambar 6.9. Saklar transistor dengan dua kestabilan yang beroperasi secara manual Sekarang ambillah hubungan bebas dari 0 V yang biasa dan sentuhkanlah ujungnya ke terminal input basis transistor yang ON itu. Apa yang terjadi? Kini sentuhkanlah penghubung bebas tadi ke terminal input basis yang lain. Seperti yang terlihat, sirkit itu mempunyai dua keadaan kestabilan dengan sebuah transistor ON dan yang lain OFF. Sirkit jenis ini disebut bistabil dan merupakan elemen dasar pada sirkit perhitungan. Sebutan lain untuk bistabil ini ialah: memori, kancing, flip- flip, dan terbagi-dua, sebutan ini tergantung pada pemakaiannya..1. Transistor Sebagai Penguat (amplifier) Berbagai jenis amplifier digunakan dalam lapangan elektronika industri dan hampir semuanya dapat dibuat dari transistor. Pada tahapan ini akan diteliti sebuah amplifier tegangan a.c. sederhana. Di dalam amplifier itu sinyal kecil a.c. diberikan ke sepasang terminal input. Amplifier ini diperlukan untuk mereproduksi bentuk sinyal yang diberikan, yang diperkuat secara linier,
pada sepasang terminal output. Selain itu, amplifier ini harus mampu mengerjakan fungsinya pada suatu frekuensi sinyal input, rentang ukuran ini dinamakan lebar gelombang amplifier. Pengaturan sirkit di sini berhubungan dengan konfigurasi emitter umum yang emittennya bersifat umum terhadap sirikit input ataupun output. Input diberikan diantara basis dan emitter, sedangkan output diambil dari kolektor dan emitten..2. Pembiasaan Sebelum me mberikan sinyal a.c. ke sirkit basis emitter, V CE harus disetel dengan pembiasan yang sesuai, sehingg dapat diperoleh output yang tidak terdistorsi. Untuk itulah V CE disetel ke suatu nilai yang mendekati pertengahan antara nol dan VCC. Sekarang naik turunnya IC (disebabkan oleh sinyal yang menyebabkan perubahan I B ) dapat menyebabkan naik dan turunnya V out tanpa distorsi dalam ukuran yang sama. Berbagai metode pembinaan sudah digunakan, beberapa yang umum diantaranya diperlihatkan oleh gambar 6.10. Perhatik anlah sirkit bias sederhana pada gambar 6.10. Di situ tujuan utamanya adalah memasukkan arus basis yang tetap, I B. hingga tanpa adanya sinyal (keadaan pasif) arus basis ini cukup untuk menyebabkan mengalirnya arus kolektor yang tetap, yaitu IC, sampai ICRL ½ VCC. Sinyal yang biasanya berbentuk gelombang sinusoidal a.c. itu sekarang dapat diberikan lewat kapasitas C 1 yang dipakai untuk menyekat jalur arus searah dan untuk meyakinkan bahwa hanya sinyal a.c. yang lewat di transistor untuk amplifikasi. Tegangan sinyal menyebabkan arus basis bervariasi secara sinusoidal di atas dan di bawah arus bias tetap I B, yang kemudian menyebabkan bervariasinya arus kolektor secara sinusoidal di atas dan di
bawah ukuran pasif I C. Karena arus kolektor yang berubah- ubah ini mengalir dalam resistor beban R L, suatu tegangan a.c. sinusiodal terbentuk pada R L yang tampak pada kolektor. Tegangan a.c. ini dilewatkan oleh kapasitor C 2, sehingga hanya tegangan inilah yang diteruskan karena tingkat d.c. (V CE) disekat oleh C2. Tegangan yang dicapai oleh sirkit amplifier adalah tegangan yang dicapai = V V out in = (dan tidak = h FE ) Gambar 6.10 Membiaskan amplifier transistor Gambar 6.11 Amplifier tegangan transistor yang sederhana Latihan praktek 6e Amplifier tegangan transistor yang sederhana Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.11 Hidupkan tegangan suplai: 1. Setelah resistor variabel 1M0 untuk mencapai VCE = + 6V. 2. Hubunan suatu sinyal gelombang sinusoidal sebesar beberapa ratus milivolt pada frekuensi 10 khz ke terminal- terminal input sinyal. 3. Gunakan CRO kurva ganda untuk mengukur tegangan input dan output serta hitunglah besar tegangan yang dicapai. Juga perhatikan selisih fase 180 o antara bentuk gelombang input dan output. 4. Naikkan amplitudo sinyal dan amatilah pengaruhnya pada bentuk gelombang output. 5. Hilangkan sinyal input, setelah kembali biasanya untuk mendapatkan V CE = + 9 V dan ulangilah prosedur di atas.
Perhatikan bagian gelombang output manakah yang mula- mula berdistorsi ketika sinyal input diubah. Mengapa demikian? 6. Ulangilah dengan V CE = + 3 V. 7. Setelah kembali biasanya hingga V CE = + 6 V lalu aturlah amplitudo sinyal untuk menghasilkan gelombang tegangan output yang tidak terdistorsi. Sekarang turunkanlah frekuensi sinyal dari 10 khz dan carilah frekuensi f 1. Pada frekuensi f 1, amplitudo gelombang output turun ke 0,7 dari ukurannya pada 10 khz tadi; f 1 = Hz. 8. Naikkan frekuensi sinyal di atas 10 khz dan carilah frekuensi f 1. Pada frekuensi ini amplitudo gelombang output turun ke 0,7 dari ukurannya pada 10 khz, f 2 = Hz. Tegangan output pada f 1 dan f2 disebut setengah daya atau titiktitik-3 db, yang menjabarkan lebar gelombang, yaitu rentang frekuensi operasi amplifier a.c. yang sangat bermanfaat. Lebar gelombang = f 2 f 1 = Hz..1. Transistor Medan Listrik/Field Effect Transistor (FET) Simbol sirkit untuk transistor medan listrik/field effect transistor (FET) diperlihatkan oleh gambar 6.12. FET tidak bekerja adanya arus, tetapi tergantung pada medan listrik yang dihasilkan lewat aplikasi suatu tegangan input ke terminal gerbang. Medan listrik yang dihasilkan lewat aplikasi suatu tegangan input ke terminal gerbang. Medan listrik ini mengontrol lebar saluran tempat terjadinya konduksi antara jalur pembuangan dan sumber. Oleh karena itu, FET merupakan alat yang bekerja secara efektif bila memperoleh tegangan. Selain itu, FET mempunyai impedansi input yang tinggi (biasanya beberapa megaohm) dan
berkemampuan tinggi, meski belum dikembangkan untuk tingkatan data yang diinginkan..2. FET Sebagai Saklar Perhatikanlah sirkit pada gambar 6.13. Untuk menghidupkan FET, VGS harus nol, sehingga pulsa negatif harus diberikan ke diode untuk mematikan FET dalam sirkit seri pada gambar 6.13 (a). Pada sirkit langsir gambar 6.13 (b) pulsa negatif yang diberikan ke gerbang akan mematikan FET, sehingga memungkinkan sinyal melewati beban. Latihan Praktek 6f FET sebagai saklar Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.13 (a) Gambar 6.13 Sirkir saklar FET Berikan sinyal ke input (V S ) dan amatilah tegangan output dengan CRO ketika input pulsa diberikan ke diode. Catatlah bentuk gelombang input dan output-nya. Ulangilah latihan ini dengan sirkit pada gambar 6.13 (b) Latihan praktik 6g Amplifier FET Susunlah sirkit seperti pada gambar 6.14.
Aturlah resistor variabel (bias) 1M0 sampai V GS = 0 V. Setelah generator fungsi ke SINE, 1 khz, 4V dari puncak ke puncak, dan hubungkanlah ke terminal input AB. Ukurlah sinyal input (AB) dan sinyal output (CB) dengan memakai CRO kurva ganda. catatlah amplitudo (dan fase) sinyal input dan output. Berapakah besar tegangan yang dicapai? Gambar 6.14 Amplifier FET Putuskanlah hubungan dari terminal gerbang FET dan amatilah pengaruhnya pada amplitudo sinyal input. Apa yang ditunjukkan oleh hal ini tentang empedamso input FET?