6.8 Daerah Saturasi (Saturation Region) CE Di dalam daerah saturasi, junction kolektor (juga junction emitor) mendapat bias maju (forward biased) minimal sebesar tegangan cutin. Karena tegangan VBE (atau VBC) pada junction yang terbias maju memiliki nilai sepersepuluhan volt, VCE = VBE – VBE juga memiliki nilai sepersepuluhan volt pada daerah saturasi. Jadi, pada gambar 5.10, daerah saturasi lebih dekat ke sumbu tegangan-nol, dimana seluruh kurva menyatu dan meluncur jatuh dengan cepat menuju titik pusat. Sebuah garis beban dibuat pada kurva karakteristik di gambar 5.10 untuk resistansi RL = 500 Ω dan sumber tegangan 10 V. Terlihat bahwa di daerah saturasi arus kolektor hampir independen terhadap arus basis, untuk nilai VCC dan RL yang sedang digunakan. Jadi kita bisa menganggap bahwa momen saturasi terjadi pada lekukan kurva transistor di gambar 5.10 Saturasi terjadi terhadap suatu garis beban dengan arus basis – 0,17 mA, dan pada titik ini tegangan kolektor menjadi terlalu kecil untuk bisa di baca pada gambar 5.10. Dalam keadaan saturasi, arus kolektor secara nominal adalah VCC/RL, dan karena RL kecil, VCC perlu dijaga agar tetap kecil supaya transistor tetap beroperasi dalam batasan arus maksimum dan disipasi. Kita tidak dapat membaca tegangan saturasi kolektor-emitor, VCE.sat secara presisi dari plot di gambar 5.10. Lebih baik untuk mengacu pada karakteristik yang diperlihatkan pada gambar 5.14. Dalam karakteristik ini, daerah 0 hingga 0,5 V di gambar 5.10 telah diperlebar, dan digunakan garis beban yang sama seperti sebelumnya untuk RL = 500 Ω. Terlihat dari gambar 5.10 dan 5.14 bahwa VCE dan IC tidak memberi pengaruh yang berarti terhadap IB setelah arus basis ini mencapai nilai –0,15 mA. Dengan arus ini, transistor memasuki daerah saturasi. Untuk IB = -0,15 mA, |VCE| ≈ 175 mV. Untuk IB = 0,35 mA, |VCE| drop menjadi |VCE| ≈ 100 mV. Nilai IB yang lebih akan semakin menurunkan nilai |VCE|.
Elektronika 1
1
Resistansi Saturasi Untuk transistor yang beroperasi di daerah saturasi, parameter yang menarik adalah rasio VCE.sat/IC. Parameter ini dinamakan resistansi saturasi commonemitter. Sering juga disimbolkan dengan RCS, RCES, atau RCE.sat. Untuk menentukan RCS, kita harus menentukan titik mana yang digunakan. Sebagai contoh, dari gambar 5.14 di atas, terlihat bahwa pada IC = -20 mA dan IB = 0,35 mA, RCS ≈ -0,1/(-20 x 10-3) = 5 Ω. Kegunaan dari RCS terlihat dari kenyataan yang diperlihatkan gambar 5.13, dimana di bagian kiri plot IB mendekati bentuk garis lurus. Resistansi base-spreading rbb'. Ingat kembal lebar daerah basis yang sangat kecil (gambar 5.5), dimana arus yang memasuki basis melalui junction emitor harus mengalir melalui jalur sempit untuk mencapai terminal basis. Penampang aliran arus di dalam kolektor (atau emitor) jauh lebih besar dari yang ada di basis. Dengan demikian, biasanya resistansi ohmik basis jauh lebih besar dari resistansi ohmik kolektor atau emitor. Resistansi basis ohmik dc yang disimbolkan dengan rbb', dinamakan resistansi base-spreading, yang memiliki nilai sekitar 100 Ω. Koefisien temperatur tegangan saturasi. Karena kedua junction mendapat bias maju, maka nilai yang layak untuk VBE.sat atau VBC.sat adalah -–,5 mV/°C. Dalam daerah saturasi, transistor berisi dua dioda terbias maju yang saling berhadapan. Jadi, pengaruh terhadap tegangan terinduksi-suhu yang ditimbulkan satu dioda pada dioda lain perlu diantisipasi. Gain arus DC, hfe Satu parameter transistor yang penting adalah IC/IB, dengan IC adalah arus kolektor dan IB adalah arus basis. Besaran ini disimbolkan dengan βdc atau hfe, yang dikenal sebagai (nilai negatif dari) dc beta, rasio transfer arus maju (dc forward current transfer ratio), atau gain arus dc (dc current gain).
Elektronika 1
2
Di dalam daerah saturasi, parameter hfe sangat penting, dan merupakan salah satu parameter yang tercantum pada lembaran data transistor, jika menyangkut switching transistor. Kita tahu |IC|, yang pendekatan nilainya diperoleh dari VCC/RL, dan hfe memberitahu kita nilai arus minimum (IC/hfe) yang diperlukan untuk membuat transistor saturasi. Untuk transistor tipe 2N404, variasi hfe terhadap arus kolektor dengan nilai VCE yang rendah ditunjukkan oleh gambar 5.15 di atas. Transistor komersial biasanya memiliki hfe dalam kisaran 10 hingga 150 pada arus kolektor sekecil 5 mA dan sebesar 30 A. 6.9 Nilai-Nilai Tegangan Junction Transistor Karakteristik yang diplot pada gambar 5.16, berupa arus output IC sebagai fungsi dari tegangan input VBE untuk transistor germanium npn dan silikon, memperlihatkan beberapa daerah operasi rangkaian transistor CE. Nilai-nilai yang ditunjukkan adalah nilai-nilai umum yang diperoleh melalui eksperimen atau persamaan teoretis. Berikut adalah uraian mengenai rincian informasi pada kurva transfer gambar 5.16.
Elektronika 1
3
Elektronika 1
4
Cutoff Region Cutoff didefinisikan sebagai keadaan dimana IE = 0 dan IC = ICO, dan diketahui bahwa bias mundur VBE.sat = 0,1 V (0 V) akan membuat transistor germanium (silikon) memasuki daerah cutoff. Apa yang akan terjadi jika tegangan bias balik VBE.sat dibuat lebih besar dari VBE.cutoff ? Jika VE negatif dan jauh lebih besar dari VT, sehingga arus kolektor turun sedikit di bawah ICO dan arus emitor berbalik, namun nilainya masih kecil (lebih kecil dari ICO). Short-Circuited Base Andaikan bahwa basis dihubungkan langsung ke emitor sehingga VE = VBE = 0. Seperti terlihat pada gambar 5.1.6, IC ≡ ICES tidak akan naik melebihi nilai arus cutoff ICO. Open-Circuited Base Jika basis dibiarkan "mengambang" (tidak dihubungkan ke manapun) sehingga IB = 0, didapatkan bahwa IC ≡ ICEO seperti pada pers.5.17. Pada arus rendah α ≈ 0,9 (0) untuk germanium (silikon), dan dengan demikian IC ≈10 ICO(ICO) untuk Ge (Si). Nilai VBE untuk kondisi open-base ini (IC = -IE) adalah sepersepuluhan milivolt berupa bias maju, seperti ditunjukkan oleh gambar 5.16. Cutin Voltage Karakteristik volt-amper antara basis dan emitor pada tegangan kolektoremitor konstan (gambar 5.11) tidak serupa dengan karakteristirk volt-amper junction dioda sederhana. Jika junction emitor mendapat bias mundur, arus basis menjadi sangat kecil, dalam orde nanoamper atau mikroamper, masing-masing untuk silikon dan germanium. Jika junction emitor diberi bias maju, seperti pada dioda sederhana, tidak terdapat arus basis hingga junction emitor mendapat bias maju sebesar |VBE| > |Vγ|, dengan Vγ adalah tegangan cutin (cutin voltage). Karena arus kolektor secara nominal proportional terhadap arus basis, maka pada kolektorpun tidak terdapat arus, hingga terdapat arus pada basis. Oleh karena itu, plot arus kolektor terhadap tegangan basis-emitor akan memperlihatkan tegangan cutin, seperti halnya pada dioda. Secara prinsip, sebuah transistor berada dalam active region jika tegangan basis-emitor berada pada sisi bias-maju dari tegangan cutin, yang terjadi pada tegangan balik 0,1 V untuk germanium dan 0 V untuk silikon. Transistor akan memasuki active region jika VBE > Vγ. Kita dapat mengestimasi tegangan cutin Vγ dengan mengasumsikan bahwa VBE = Vγ, pada saat arus kolektor, katakanlah, mencapai 1 persen dari arus Elektronika 1
5
maksimum (saturasi) pada rangkaian CE di gambar 5.9. Biasanya Vγ bernilai 0,1 V untuk germanium dan 0,5 V untuk silokon. Gambar 5.17 menunjukkan plot arus kolektor sebagai fungsi tegangan basisemitor pada tegangan kolektor-emitor konstan, untuk beberapa nilai suhu. Terlihat bahwa nilai Vγ sekitar 0,5 V pada suhu ruang. Ketergantungan suhu disebabkan oleh koefisien temperatur dioda junction-emitter. Oleh karena itu, pergeseran lateral plot terhadap perubahan temperatur dan perubahan Vγ terhadap perubahan temperatur, mendekati nilai –2,5 mV/°C. Tegangan Saturasi. Pabrik transistor menentukan nilai saturasi tegangan input dan output dengan beberapa cara. Sebagai contoh, mereka dapat menentukan nilai RCS untuk beberapa nilai IB atau mereka membuat kurva VCE.sat dan VBE.sat sebagai fungsi IB dan IC. Tegangan saturasi bergantung tidak hanya pada titik operasi, tetapi juga pada bahan semikonduktor (germanium atau silikon) dan jenis konstruksi transistor. Nilai saturasi umum untuk transistor dapat dilihat pada tabel.5.1 berikut.
Elektronika 1
6
Tegangan yang ditunjukkan pada tabel di atas dan pada gambar 5.16 adalah untuk transistor npn. Untuk transistor pnp, tanda-tanda (sign) harus dibalik. Perhatikan bahwa rentangan total VBE antara cutin dan saturasi bernilai cukup kecil, yaitu 0,3 V. Tegangan VBE.active ditentukan secara sembarang, namun dengan memperhatikan batas, dan berada di tengah active region. Pada beberapa kasus, akan diperoleh nilai yang berbeda dari tabel 5.1, namun biasanya perbedaannya tidak lebih dari 0,1 V. Contoh (a) Rangkatian pada gambar 5.12a dan b dimodifikasi dengan mengubah resistansi basis dari 200 menjadi 50 K (seperti gambar 5.18 di bawah). Jika hfe = 100, tentukan apakah transistor silikon berada dalam kondisi saturasi dan tentukan IB dan IC. (b) Ulangi soal di atas jika ditambahkan resistansi emitor 2 K. Jawab : Asumsikan bahwa transistor berada dalam kondisi saturasi. Dengan menggunakan nilai VBE.sat dan VCE.sat dari tabel 5.1, diperoleh rangkaian seperti pada gambar 5.18a. Dengan menggunakan KVL untuk rangkaian basis, diperoleh -5 + 50 IB + 0,8 = 0 atau
4,2 = 0,084 mA 50 Penggunaan KVL terhadap rangkaian kolektor akan menghasilkan IB =
-10 + 3 IC + 0,2 = 0 atau
IC =
Elektronika 1
9,8 = 3,27 mA 3
7
Arus basis minimum yang diperlukan untuk menjadikan transistor saturasi adalah
I C 3,27 = = 0,033 mA h fe 100 Karena IB = 0,084 > IB.min = 0,033 mA, dapat dipastikan bahwa transistor berada dalam keadaan saturasi. ( I B ) min =
(b) Jika ditambahkan resistansi emitor 2 K, rangkaian jadi seperti gambar 5.18b. Diasumsikan transistor berada dalam keadaan saturasi. Aplikasi KVL terhadap rangkaian basis dan kolektor akan menghasilkan : -5 + 50 IB + 0,8 + 2 (IC + IB) = 0 -10 + 3 IC + 0,2 2 (IC + IB) = 0 Jika kedua persamaan ini diselesaikan untuk IC dan IB, akan diperoleh IC = 1,95 mA ; IB = 0,0055 mA Karena (IB)min = IC/hfe = 0,0195 > IB = 0,0055, transistor tidak dalam keadaan saturasi. Berarti transistor berada dalam active region. Jika perhitungan dilanjutkan persis seperti yang dilakukan untuk rangkaian di gambar 5.12b (tapi resistor 200 K diganti 50 K), akan diperoleh IC = 1,71 mA ; IB = 0,0171 mA = 17 µA ; VCB = 0,72 V
Elektronika 1
8
6.10 Gain Arus Common-Emitter Terdapat tiga definisi berbeda mengenai penguatan arus (current gain) dalam literatur. Akan dicari kaitan satu definisi dengan definisi yang lain. Large-signal current gain, β Kita mendefinisikan β menggunakan α pada pers. 5.15. Dari pers. 5.16, dengan mengganti ICO dengan ICBO, kita dapatkan
β=
I C − I CBO I B − (− I CBO )
(5.19)
Pada subbab 5.7, kita mendefinisikan cutoff sebagai suatu kondisi dimana IE = 0, IC = ICBO, dan IB = -ICBO. Selanjutnya pers. (5.19) menunjukkan rasio peningkatan arus-kolektor terhadap perubahan arus-basis dari cutoff ke IB, dan dengan demikian β merepresentasikan (bentuk negatif dari) large-signal current gain dari transistor common-emitter. Parameter ini sangat penting dalam kaitannya dengan pembiasan dan stabilitas rangkaian transistor. DC Current Gain Pada subbab 5.8 dc-current-gain didefinisikan sebagai I β dc ≡ C ≡ hFE (5.20) IB Pada bagian itu ditekankan bahwa hFE sangat berguna dalam penentuan apakah suatu transistor berada dalam kondisi saturasi atau tidak. Secara umum, arus basis (begitu juga arus kolektor) cukup besar dibandingkan dengan ICBO. Dalam kondisi ini, large-signal dan beta dc kurang lebih sama; sehingga hFE ≈ β. Small Signal Current Gain, hfe β' didefinisikan sebagai rasio kenaikan arus kolektor ∆IC terhadap perubahan kecil arus basis ∆IB (pada titik operasi tertentu, pada tegangan kolektor-emitor VCE tetap), atau ∂I β' ≡ C = h fe (5.21) ∂I B V CE
β' adalah (nilai negatif dari) small signal current gain. Jika β independen terhadap arus, kita lihat dari pers. 5.20 bahwa β = β' ≈ hfe. Namun demikian, gambar 5.15 menunjukkan bahwa β merupakan fungsi dari arus, dan diferensiasi persamaan 5.16 terhadap IC (dengan ICO = ICBO) akan menghasilkan
Elektronika 1
9
1 = ( I CBO + I B )
∂I ∂β +β B ∂I C ∂I C
(5.22)
Small signal CE gain β' digunakan dalam analisis rangkaian penguat smallsignal dan disimbolkan dengan hfe. Dengan persamaan 5.21 dan β' = hfe dan β = hFE, pers. 5.22 menjadi hFE h fe = (5.23) 1 − ( I CBO + I B )(∂hFE / ∂I C ) Karena hFE (IC) yang diperlhatkan gambar 5.15 menunjukkan nilai maksimum, hfe lebih besar dari hFE untuk arus kecil (bagian kiri dari maksimum) dan hfe lebih kecil dari hFE untuk arus yang besar dari nilai maksimumnya. Pada sebagian besar rentangan arus pada gambar 5.14, hfe memiliki selisih terhadap hFE sebesar kurang dari 20%. Perlu ditekankan bahwa pers.5.23 berlaku hanya pada active region. Dari gambar 5.14 terlihat bahwa hfe → 0 di daerah saturasi karena ∆IC → 0 untuk kenaikan kecil arus ∆IB. 6.11 Konfigurasi Common-Collector
Konfigurasi rangkaian transistor lain, ditunjukkan pada gambar 5.19 di atas, yang dikenal sebagai konfigurasi common-collector. Pada dasarnya rangkaian ini sama dengan rangkaian pada gambar 5.9 (CE), tapi dengan tambahan resistor beban pada emitor dan bukannya pada kolektor. Analisis terhadap konfigurasi ini sama seperti analisis terhadap konfigurasi commonemitter. Jika arus basis ICO, arus emitor jadi nol, dan tidak ada arus mengalir pada beban. Jika transistor diubah dari kondisi terbias mundir dengan meningkatkan arus basis, transistor akan menembus active region dan memiliki kemungkinan mencapai saturasi. Dalam kondisi ini, seluruh tegangan, kecuali untuk tegangan jatuh yang sangat kecil pada transistor, akan sampai pada beban.
Elektronika 1
10
