Materi 5: Bipolar Junction Transistor (BJT) I Nyoman Kusuma Wardana Sistem Komputer STMIK STIKOM Bali
Outline • • • • • • • • •
Struktur transistor Unbiased transistor Biased transistor Koneksi CE Kurva basis Kurva kolektor Common emitter Daerah operasi transistor Bias basis Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Struktur Transistor
Struktur Transistor • Memiliki 3 daerah: emiter, basis dan kolektor • Tipe ini disebut npn • Trdpt tipe lain: pnp • Tingkat doping di emiter sangat tinggi sdgkan basis rendah • Tingkat doping kolektor diantara emiter dan basis • Memiliki 2 junction:emitter-base diode (emitter diode) & colectorbase diode (collector diode) • Bayangkan struktur ini sprti 2 buah back-to-back diode Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Biased Transistor Elektron Emiter • VBBmembias maju dioda emiter • VCCmembias balik dioda kolektor • Tugas emiter yg memiliki doping tinggi memberikan elektron ke basis
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Biased Transistor Elektron Basis • Jika VBB > barrier potential elektron mengalir dr emiter ke basis • Secara teori, ada 2 kemungkinan aliran elektron Menuju RB atau menuju kolektor
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Biased Transistor Elektron Basis • Namun demikian, elektron umumnya akan mengalir menuju kolektor. • Mengapa?? dua alasan: basis didoping ringan dan basis secara fisik sangatlah tipis
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Biased Transistor Elektron Kolektor • Kebanyakan elektron dr basis akan menuju kolektor • Segera setelah mencapai kolektor, elektron bebas akan ditarik oleh VCC dan mengalir melalui RC
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
The CE Connection • Terdapat 3 cara utk menghubungkan transistor: 1. CE (common emitter) 2. CC (common collector) 3. CB (common base) • Saat ini kita aka fokus pd CE.
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter • Common = bagian ground • Common emitter setiap common/bagian ground dr sumber dihubungkan ke emitter • Trdpt 2 loop: loop basis dan loop kolektor
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter Loop Basis • VBB membias maju dioda emiter dgn RB sbg resistor pembatas arus • Dgn mengubah VBB dan RB, maka kita dpt mengubah arus basis • Mengubah arus basis berarti mengubah arus kolektor • Dgn kata lain, arus basis mengontrol arus kolektor Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter Loop Kolektor • VCC membias balik dioda kolektor melalui RC • Dioda harus dibias dgn kondisi seperti ini. Jika tdk, maka transistor tdk akan bekerja dgn baik • Dgn kata lain, kolektor hrs positif utk mngumpulkan elektron bebas dr basis Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter • Tegangan dgn subscript sama, menunjukkan sebuah sumber (VBB & VCC) • Jika subscript berbeda, maka menunjukkan tegangan antara 2 titik (VBE & VCE) • Tegangan dgn single subscript berarti teg.simpul (node voltage) yaitu teg antara titik dgn ground (VB, VC,& VE) Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter • Perhitungan tegangan: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐸 • Karena 𝑽𝑬 = 𝟎, maka: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐵 Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Kurva Basis • Kurva basis menggambarkan hub antar IB dan VBE. • Hub, ini adlah dioda emiter yg dibias maju • Menggunakan hukum Ohm: 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 = 𝑅𝐵 • 𝑉𝐵𝐸 = 0V (pend. ideal,) • 𝑉𝐵𝐸 = 0.7V(pendekatan II) Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Common Emitter Contoh: • Amati Gb di bwh ini. Berapakah arus yg melalui resistor kolektor jika 𝜷𝒅𝒄 = 𝟐𝟎𝟎? • Dimana 𝛽𝑑𝑐 adlh penguatan arus: 𝛽𝑑𝑐 =
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
𝐼𝐶 𝐼𝐵
Jawab: • Teg. basis sbesar 2V membias maju dioda emiter melalui resistor pembatas arus 100kOhm. Krn dioda emiter memiliki 0,7V, maka tegangan spanjang resistor basis adlh: • 𝑽𝑩𝑩 − 𝑽𝑩𝑬 = 2V − 0,7V = 𝟏, 𝟑𝐕 • Arus yg melalui reistor basis (RB) adlh: • 𝑰𝑩 =
𝑽𝑩𝑩 −𝑽𝑩𝑬 𝑹𝑩
=
1,3V 100kΩ
= 𝟏𝟑𝝁𝐀
• Dgn penguat arus=200, maka: 𝑰𝑪 = 𝜷𝒅𝒄 𝑰𝑩 𝐼𝐶 = 200 13𝜇𝐴 = 𝟐, 𝟔𝒎𝑨 Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Kurva Kolektor • Dgn memvariasikan nilai VBB dan VCC serta mengukur output IC vs VCE, kita dpt memperoleh kurva kolektor • Contoh transistor 2N3904 berikut di bwh ini • Misal, kita atur VBB utk mendapatkan Ib=10uA. • Kemudian variasikan VCC dan ukur nilai IC dan VCE
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Tegangan Kolektor dan Daya • Sesuai dgn hukum Kirchhoff : 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 • Disipasi daya: 𝑃𝐷 = 𝑉𝐶𝐸 𝐼𝐶
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Daerah Operasi Transistor • Trdpt 4 daerah operasi transistor: Active region • Active region: bag. kurva horizontal, dimana arus kolektor adlh konstan • Breakdown region: transistor sbaiknya jgn beroperasi di daerah ini • Saturation region: kolektor tdk cukup memiliki tegangan utk mengumpulkan elektron dr basis • Cutoff: arus basis nol, tp ada sedikit arus kolektor krn arus bocor permukan & arus minoritasbalik Saturation region Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Breakdown region
Cutoff
Contoh: • Amati gambar di bawah. Transistor tsb memiliki 𝜷𝒅𝒄 = 𝟑𝟎𝟎. Hitunglah nilai IB, IC, VCE.
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Jawab: • Gambar rangkaian:
• Hitung arus basis: 𝑽𝑩𝑩 − 𝑽𝑩𝑬 𝟏𝟎 − 𝟎, 𝟕 𝐕 𝑰𝑩 = = = 𝟗, 𝟑𝜇A 𝑹𝑩 𝟏𝐌𝛀 • Hitung arus kolektor: 𝑰𝑪 = 𝜷𝒅𝒄 𝑰𝑩 = 300 9,3𝜇A = 𝟐, 𝟕𝟗𝑚A Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
• Hitung tegangan kolektor-emiter: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 = 10V − 2,79𝑚A 2𝑘Ω = 𝟒, 𝟒𝟐V
• Disipasi daya pd kolektor: 𝑷𝑫 = 𝑽𝑪𝑬 𝑰𝑪 = 4,42V 2,79𝑚A = 𝟏𝟐, 𝟑𝑚W • Jika VBB dan VCC sama, maka rangkaian dpt disederhanakan sbb:
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Contoh: Amatilah rangkaian di bwh ini. Hitunglah penguatan arusnya
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Jawab: • Pertama, cari arus basis: 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 10V − 0,7V 𝐼𝐵 = = = 𝟐𝟖, 𝟐𝜇A 𝑅𝐵 330𝑘Ω • Berikutnya, kita membutuhkan arus kolektor. Berdasarkan angka pd multimeter, nilai VCE adlh 5,45V. Tegangan sepanjang arus resistor: 𝑉 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸 = 10V − 5,45V = 𝟒, 𝟓𝟓V • Nilai arus kolektor: 𝑉 4,55V 𝐼𝐶 = = = 𝟗, 𝟔𝟖𝑚A 𝑅𝐶 470Ω • Kemudian, penguatan arus adlh: 𝐼𝐶 9,68𝑚A 𝛽𝑑𝑐 = = = 𝟑𝟒𝟑 𝐼𝐵 28,2𝑚A Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Contoh: • Amati gb berikut. Hitunglah tegangan kolektor-emiter dan arus emiter
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Jawab: • Arus yg mengalir pd loop basis: 𝑽𝑩𝑩 − 𝑽𝑩𝑬 𝟏𝟓 − 𝟎, 𝟕 𝐕 𝑰𝑩 = = = 𝟑𝟎, 𝟒𝟐𝜇A 𝑹𝑩 𝟒𝟕𝟎𝒌𝛀 • Hitung arus kolektor: 𝑰𝑪 = 𝜷𝒅𝒄 𝑰𝑩 = 100 30,42𝜇A = 𝟑, 𝟎𝟒𝑚A • Hitung tegangan kolektor-emiter: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 𝑉𝐶𝐸 = 15V − 3,04𝑚A 3,6𝑘Ω = 𝟒, 𝟎𝟔V • Arus emiter adlh gabungan arus basis dan arus kolektor: 𝑰𝑬 = 𝑰𝑩 + 𝑰𝑪 = 30,4𝜇A + 3,04𝑚A = 𝟑, 𝟎𝟕𝑚A Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Bias Basis • Bias basis mmpertahankan arus basis agar tetap sama • Misal pd gambar disamping nilai RB = 1MOhm, maka arus basis (IB) adalah 14,3uA. • Nilai IB akan tetap pd nilai sekitaran 14,3uA dlm segala kondisi operasi
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Bias Basis • Pd gb disamping, dgn 𝜷𝒅𝒄 =100, maka arus kolektor sebesar 1,43mA. • Tegangan kolektor-emiter:
𝑽𝑪𝑬 = 𝑽𝒄𝒄 − 𝑰𝑪 𝑹𝑪 𝑉𝐶𝐸 = 15V − 1,43𝑚A 3𝑘Ω 𝑉𝐶𝐸 = 𝟏𝟎, 𝟕V • Nilai Q (titik operasi): 𝑰𝑪 = 𝟏, 𝟒𝟑𝒎𝑨 dan 𝑽𝑪𝑬 = 𝟏𝟎, 𝟕𝐕 Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015
Daftar Pustaka • Malvino, A.P. Electronics Principles. McGraw Hill 7th Edition, New York. • Malvino, A.P. 1999. Prinsip-Prinsip Elektronika (terjemahan oleh Alb.Joko Santoso). Salemba Teknika, Jakarta.
Kusuma Wardana - Sistem Elektronika 2015