BAB VII ANALISA DC PADA TRANSISTOR

Bab IV, Analisa DC pada Transistor

Hal: 147

BAB VII ANALISA DC PADA TRANSISTOR 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

n

p

n

C

E

p

n

p

B

B

NPN

PNP

C

Gambar 1, Model fisis dan simbul transistor NPN dan PNP Notasi VBE = VB - VE VCE = VC - VE VCB = VC - VB IB : arus sinyal DC (signal besar) di basis. ib : arus sinyal AC (signal kecil) di basis.

Sastra Kusuma Wijaya

FISIKA FMIPA UI

Diktat Elektronika I


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 ( IB < I E) : 1.

2.

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). Beberapa elektron yang melewati basis akan rekombinasi dengan hole sebelum mencapai pengaruh beda potensial antara Basis-Collector

Kedua hal ini yang menyebabkan arus IB kecil dibadingkan dengan IC, dan dapat dinyatakan sebagai: IC = hFE IB dengan hFE = β = penguatan arus DC pada konfigurasi CE (common emitter), nilainya selalu >1. Sedangkan bila ada arus bocor, maka: IC = hFE IB + ICEO dengan ICEO : arus yang mengalir dari kolektor ke emiter pada saat terminal basis open (yaitu pada saat IB = 0). Sebaliknya arus kolektor dapat juga dinyatakan sebagai:


FISIKA FMIPA UI



Hal: 149

iC = α iE + ICBO dan dari KCL iB = iE - iC = iE - (α iE + ICBO) = (1-α) iE - ICBO Sehingga iE = 1/α (iC - ICBO) Didapat iB = iE - iC = 1/α (iC - ICBO) - iC Akhirnya diperoleh : iB =

dengan

1−α

α

iC −

I CBO

α

=

1

β

ic −

I CBO

α

β = hFE α = hFB

Hubungan ICEO dengan ICBO Dari ic = β iB + I CEO =

α iB + I CEO = hFE iB + I CEO 1−α

Sehingga β iB = iC - ICEO Sebelumnya

β iB = iC - (β/α) ICBO

Jadi ICEO = (β+1) ICBO


ingat β =

FISIKA FMIPA UI

α 1−α



Hal: 150

NOTASI VAK vAK vak

vAK = VAK + vak VAK vak vAK Vak Vakm Contoh :

besaran DC (quiescent) besaran AC besaran sesaat total besaran rms dari besaran AC besaran amplitudo dari besaran AC vAK = 6 + 4 sin 2000 π t VAK = 6 volt, vak = 4 sin 2000 π t volt, Vakm = 4 volt, Vak = 2√2 volt

Pembiasan pada transistor ditunjukkan pada gambar berikut


FISIKA FMIPA UI



Hal: 151

IC

IB

VBB

IC

IB

VCC IE

VCC

VBB

NPN

IE

PNP

Karakteristik Transistor Karakteristik Input ( IB vs. VBE pada VCE konstan) Dengan membuat VCE konstan dapat di plot IB vs. VBE seperti ditunjukkan pada gambar berikut : (sama seperti dioda p-n) IB(mA)

VCE=1V V =10V CE VCE=20V

IB

VCE

VBE

0,7 V

VBE

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 hFE. Dengan mengubah VCE efeknya tidak banyak berubah, yaitu dengan


FISIKA FMIPA UI



Hal: 152

penambahan VCE arus IB berkurang. Arus I B akan mengalir jika VBE > 0,7 V , seperti ditunjukkan pada kurva karakteristik input di atas.

Karakteristik output (IC vs. VCE dengan IB konstan) IC (mA)

I B = 60 ?A I B = 40 mA

VCC

IB = 20 ?A I B = 0??A V CE Sat

V CE

IE =IC + IB

hie = h fe =

ΔvBE ΔiB

ΔiC ΔiB

hFE =

VCEsat

IC IB

Pada saat IB = 0, arus IC yang mengalir adalah arus bocor ICEO (pada umumnya diabaikan), sedangkan pada saat IB ≠ 0 (misalnya 20 μA untuk VCE kecil ( < < 0,2 volt), pembawa muatan di basis tidak efisien I dan transistor dikatakan dalam keadaan Saturasi dengan IB > h C . Pada FE

saat VCE diperbesar IC pun membesar hingga melewati level tegangan VCE saturasi (0,2 ~ 1 volt) hingga transistor bekerja dalam daerah aktif, I dengan IB = h C . Pada saat ini IC relatif konstan terhadap variasi FE

tegangan VCE.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 153

Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan : 1.

2.

3.

4.

Pada daerah aktif IC hampir independen terhadap VCE. IC hanya bergantung pada IB Æ Penguatan arus. Penambahan IC relatif kecil terhadap VCE. Dengan penambahan VCE 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. Diatas tegangan VCE tertentu (pada gambar berupa garis putusputus) akan ada penambahan IC yang sangat besar karena hubungan B-C mendapat bias mundur breakdown dan akan menyebabkan transistor rusak. Nilai VCE tidak penambahan IB.

bertambah

secara

signifikan

dengan

Perhatikan rangkaian berikut ini, diketahui penguatan arus untuk transistor 2N4424 adalah βdc = 350.

Dengan mengambil pendekatan II (anggap VBE = 0,7 V), maka arus yang mengalir pada basis adalah: (lihat loop basis – emitter, sumber tegangang dan RB)


FISIKA FMIPA UI



IB =

Hal: 154

VBB − VBE 10V − 0,7V = = 28, 2μA 330kΩ RB

Sehingga I C = β dc × I B = 9,87 mA Tegangan VCE = VCC − I C RC = 10V − 9,87mA × 470Ω = 5,36 V

Daerah operasi dari transistor 1. Dareah aktif Basis - Emiter : mendapat bias maju Basis – Kolektor : mendapat bias mundur Pada npn arus Ib positif dan Vce > Vbe.

2. Daerah cut-off Kedua junction mendapat bias mundur Untuk npn arus Ib ≤ 0 (tak ada arus menuju basis atau arus meninggalkan basis)

3. Daerah saturasi Kedua junction mendapat bias maju Untuk npn arus Ib positif dan Vce ≤ Vbe

TRANSISTOR SEBAGAI SAKL AR Transistor dapat dianalogikan sebagai saklar push-botton, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 155

VCC 5 volt

VCC 5 volt

IC RC

IC RC

1k? VY

IB

1k? VY

Gaya

(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 : Vy = VCC − I C RC = VCC − β I B RC

Jika IB = 0, maka diperoleh Vy = VCC. Sebaliknya jika IB = 0,25 mA (untuk β = 20, RC = 1 kΩ dan VCC = 5 V), diperoleh Vy = 0 volt. Artinya jika pada transistor diberi arus, maka tegangan di kolekor VC = 0 volt. Hal ini menunjukkan bahwa transistor bertindak sebagai saklar. Namun jika IB = 0,1 mA, diperoleh Vy = 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 (Vy)min = 0 volt dan (Vy)max = 5 volt, artinya (IC)max = 5 mA. Sebaliknya jika IC = 1 mA, maka Vy = 4 volt. Kondisi ini transistor dalam keadaan saturasi (pada saklar ditekan dengan keras). Umumnya dalam rangkaian logika transistor dirancang bekerja dalam daerah cut-


FISIKA FMIPA UI



Hal: 156

off dan daerah saturasi. Pada rangkaian saklar push-button tegangan Vy = 0 volt pada saat saklar ditekan, sedangkan pada rangkaian saklar transistor, tegangan Vy = 0,1 - 0,2 volt, tegangan ini dikenal sebagai tegangan saturasi. Dalam prakteknya kontrol arus IB biasanya dihasilkan dari sumber tegangan seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini, berikut kurva V-I input dan kurva V-I outputnya. V CC

5 volt

IB

Vin

garis beban 2k? untuk Vi= 0,2 volt

3

IC RC

IB

1k ?

1,0 0,8

2

garis beban 2k?untuk Vi= 2,4 volt

VY 1

2k?

Garis beban RC=1k? 1,2

IC (mA)

0,2

1

2

2,4

3

daerah aktif

5

5

VBE

0,6 0,4 0,2 0,1 0

VCE ff

Gambar 2, Rangkaian transistor saklar dengan kurva V-I nya. Pada saat Vin = 2,4 volt, maka arus yang mengalir pada terminal basis adalah: IB =

2, 4 volt − Vγ 2 kΩ

=

1,7 volt = 0,85 mA 2 kΩ

dan

β B = 20 × 0,85 mA=17 mA > ( I C )max , dengan demikian transistor dalam keadaan saturasi dan saklar dalam keadaan ON.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 157

Sebaliknya jika Vi = 0,2 volt, tegangan ini kurang dari tegangan threshold Vγ , sehingga IB = 0 mA, atau saklar transistor dalam keadaan OFF dan tegangan Vy = 5 volt. VCC , RC dengan RC adalah hambatan di kolektor dan VCC adalah tegangan supply. Cara lainnya adalah dengan mengukur VCE ≤ 0,2 volt, atau VCE < VBE.

Suatu transistor akan beroperasi dalam daerah saturasi jika I C >

Untuk merancang agar transistor beroperasi dalam daerah saturasi V dilakukan dengan membuat I C > 10 × CC . RC

PEMODEL AN TRANSISTOR 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 Æ BE dibias maju.

2.

Hubungan basis-emiter dan basis-kolektor seolah-olah seperti dioda.

3.

Setiap transistor memiliki nilai maksimum IC, IB dan VCE. Nilai-nilai ini tidak boleh dilebihi, termasuk IC VCE (disipasi daya), suhu opersasi, VBE dll.

4.

IC = hFE IB = β IB.

Konfigurasi pengoperasian transistor 1. Common Base 2. Common Emitter


(Basis Bersama) (Emiter Bersama)

FISIKA FMIPA UI



Hal: 158

3. Common Collector (Kolektor Bersama) Karakteristik dari masing-masing konfigurasi diberikan berikut ini: Konfigurasi AI CB hFB ~ 0,99 CE hFE ~ 250 CC hFE ~ 250

AV ~ 50 ~ 50 1

Zin ~ 50 Ω ~ 1 kΩ ~ 100 kΩ

Zout ~ 250 kΩ ~ 50 kΩ ~ 1 kΩ

AP ~ 50 ~ 2500 ~ 50

Konfigurasi Basis Bersama Penguatan pada konfigurasi basis bersama adalah hFB =

IC = α dan IE

berharga < 1, seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Konfigurasi ini jarang dipakai, namun demikian ada beberapa keuntungannya , yaitu :

IC vs. VCB sangat flat (datar)

Untuk VCB = 0 , IC sudah konduksi Bila ada arus bocor ICBO = ICO, maka :


FISIKA FMIPA UI



Hal: 159

IC = hFB IE + ICBO Sehingga : IC = hFB (IC + IB) + ICBO atau

IC =

I h FB I B + CBO 1 − h FB 1 − h FB

Didapat : h FE =

h FB 1 − h FB

ICEO = ICEO =

β=

α 1−α

ICBO 1 − h FB

Jika hFB ~ 1 , maka ICEO = hFE ICBO

Konfigurasi Common Collector = Pengikut Emiter Perhatikan gambar berikut ini.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 160

VCC

VI

VO R

Pada saat t = t1 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.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 161

VCC

R1

R1

vcc

vcc R2

vo

R2

RE

RE

Gambar 2, Rangkaian Emiter bersama dan ekivalennya Rangkaian pembiasan Kolektor Bersama tsb diubah menjadi gambar di sebelahnya, yaitu dengan seolah-olah memisahkan tegangan catu VCC menjadi dua buah. Pencatuan pada terminal Basis diubah menjadi rangkaian berikut : dengan

VTH =

R2 VCC R1 + R2

RTH =

R1 R2 R1 + R2

RTH

IB VCC IE

VTH

A

RE

Gambar 3, Rangkaian ekivalen Emiter bersama IE = IB + IC


FISIKA FMIPA UI



Pada daerah aktif :

Hal: 162

IC = hFE IB

IE = IB + hFE IB = ( 1+hFE ) IB Rangkaian ekivalen dari loop A ditunjukkan pada gambar berikut dengan menggantikan hambatan RE dengan (hFE + 1)RE. Hal ini terjadi karena arus yang mengalir pada hambatan RE tsb adalah IE, sedangkan pada rangkaian ekivalen arus yang mengalir adalah IB.

RTH

0,7 (hFE+1)RE

VTH

Gambar 4, Rangkaian ekivalen loop A dari Gambar 3 Dari loop tsb dengan memanfaatkan KVL, diperoleh :

R R R2 VCC = I B 1 2 + 0,7 + I E R E R +R R1 + R 2 1 2 R2 VCC R1 + R 2

= IB

R R 1 2 + 0,7 + (h + 1)R FE E R +R 1 2

diperoleh :


FISIKA FMIPA UI



Hal: 163

R2 VCC − 0,7 R1 + R 2 IB = ⎛ R 1R 2 ⎞ (1 h )R + + FE E⎟ ⎜R R ⎝ 1 2 ⎠ IC = hFE IB IE = (1 + hFE)IB VBE =0,7 volt VCE = VC - VE = VCC - IE RE Untuk pembiasan optimal cari nilai-nilai R1, R2, RE agar VCE ≈ 1/2 VCC

Konfigurasi Emiter Bersama untuk penguat tegangan IC RL

IB

VCC

AC

VBB vs

vCE = VCC - iC RL Δv A v = CE Δv BE ΔvBE = vs Rangkaian ekivalen (BJT yang disederhanakan) adalah :


FISIKA FMIPA UI



Hal: 164

IB

AC

hie

AC

Ib =

IC

Vs h ie

Vo =Vce =Ic R L =h fe I b R L = h fe

Jadi A v =

Vs RL h ie

Vo h R = − fe L Vs h ie

hfe sebenarnya bervariasi terhadap vCE, namun variasinya tidak terlalu besar, sebagai pendekatan bisa dianggap konstan.

Garis beban Dari persamaan vCE = VCC - iC RL menunjukkan bahwa persamaan ini adalah persamaan garis lurus antara vCE vs. IC. Untuk membuat garis beban dilakukan dengan : membuat iC = 0, maka vCE = VCC vCE = 0, maka iC =

VCC RL

Misalkan data transistor seperti kurva di samping titik A B

untuk vCE = 12 volt = VCC untuk vCE = 0 volt → iC = 3,6 mA (dari gambar) maka RL ≈ 33 kΩ.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 165

Ambil Q (titik kerja) kira-kira di tengah garis beban iB = 20 μA iC = 1,7 mA vCE = 6,5 V Titik C : iB = 30 μA, iC = 2,4 mA dan vCE = 4 V. D : iB = 10 μA, iC = 0,9 mA dan vCE = 9 V. Dari kurva karkteristik input IBQ = 20 μA, VBEQ = 0,73 V iB = 30 μA dan vBE = 0,74 V iB = 10 μA dan vBE = 0,72 V Maka A v =

ΔvCE 9−4 5 = = = −250 Δv BE 0,72 − 0,74 −0,02

0


6

FISIKA FMIPA UI

12



Hal: 166

Konfigurasi Emiter Bersama Konfigurasi emiter bersama di atas ada kekurangannya karena diperlukan dua sumber tegangan DC yag berbeda, yaitu VBB dan VCC. Konfigurasi berikut ini ada keunggulannya dalam hal hanya memerlukan satu sumber tegangan DC, seperti ditunjukkan pada gambar berikut. R1

Rc

R2

Re

Gambar 5, Konfigurasi Emiter bersama yang diperbaiki Untuk analisa DC (pembiasan transistor), dari rangkaian tsb tegangan catu VCC seolah-olah ada dua buah VCC seperti gambar berikut dan selanjutnya diubah dengan menerapkan teorema Thevenin seperti yang juga ditunjukkan pada gambar di bawah ini.


FISIKA FMIPA UI



Hal: 167

Rc

R1

Rc

RTH

VCC

VCC

R2

Re

VCC

IB

R2 R1 + R 2

VCC IE RE

Gambar 6, Rangkaian ekivalen emiter bersama Dari I E = I B + I C , maka IE = (1+hFE) IB Di terminal basis, dapat diganti dengan rangkaian pengganti Thevenin, R2 RR dengan VTH = VCC dan RTH = 1 2 . R1 + R2 R1 + R2 Sehingga persamaan pada loop input adalah: R2 RR VCC − 1 2 I B − 0,7 − RE (1 + hFE ) I B = 0 R1 + R2 R1 + R2

Diperoleh: IB =

R2 R1 + R2 R1R2 R1 + R2

VCC − 0,7

+ (1 + hFE ) RE

IC = hFE IB IE = (1+hFE) IB


FISIKA FMIPA UI



Sehingga diperoleh: I C = untuk hFE = 100,

Hal: 168

hFE I E artinya untuk hFE besar, misalnya hFE + 1

hFE ≈ 0,99 artinya I E ≈ I C . hFE + 1

VE = IE RE VB = 0,7 + VE VBE = 0,7 volt = VB - VE VCE = VC - VE VC = VCC - IC RC VCE = VC - VE

Contoh: Perhatikan rangkaian konfigurasi emitter bersama berikut ini dan tentukan DC operating point-nya, jika hFE = 200.

Rangkaian tsb diubah menjadi rangkaian berikut


FISIKA FMIPA UI



Diperoleh Vth = dan

Rth =

Hal: 169

2.2kΩ 10V = 1.8V Æ Vth = VB , 2.2kΩ + 10kΩ 2.2 kΩ × 10 kΩ = 1.8kΩ 2.2 kΩ + 10 kΩ

Sehingga arus basis adalah I B =

Vth − 0.7 = 5.4 μA Rth + (1 + hFE ) RE

dan I C = hFE × I B = 1.08mA I E ≈ I C ≈ 1.08mA

VE = I E × RE = 1.08V VC = VCC − I C × RC = 10 V - 1.08 mA × 3.6 kΩ = 6.11 V

atau VCE = VC − VE = 5.03V Dengan menggunakan simulasi berikut ini


FISIKA FMIPA UI



Hal: 170

Diperoleh:


FISIKA FMIPA UI



Hal: 171

Latihan 1. Hitung IB, IC, IE, VB, VE, VC dan VCE dari rangkaian berikut, diketahui hFE = 50 untuk a. R1 = 300 kΩ b. R1 = 200 kΩ 15 volt

4,7 k?

R1

vout

Catatan IC = hFE IB hanya berlaku untuk transistor dalam daerah aktif (tidak jenuh/saturasi) 2. Hitung IB, IC, IE, VB, VC, VE dan VCE untuk rangkaian di bawah ini bila dianggap transistor memiliki hFE = 100. 1 5 v o lt

100 k?

18 k?

2 ,2 k ?

v out 470 ?

3. Untuk rangkaian emiter follower berikut ini entukan Ic dan VCE, diketahui hFE = 200. V CC =15 V

47 k?

56 k?


v out 4 ,7 k ?

FISIKA FMIPA UI



Hal: 172

4. Untuk rangkaian emiter bersama berikut ini, tentukan IC dan VCE jika hFE = 100. VCC= 10V

56 k?

4,7 k? vout

vin 10 k?

470 ? 560??


FISIKA FMIPA UI


BAB VII ANALISA DC PADA TRANSISTOR

Recommend Documents