BAB IVTRANSISTOR

Transistor adalah komponen elektronika nonlinier yang tersusun dari bahan

semikondutor tipe P dan tipe N yang disusun seperti dua dioda yang disusun saling

bertolak belakang, biasanya memiliki 3 terminal yaitu Basis, Colector dan Emitor.

Transistor bersifat sebagai penghantar dengan hantaran (conductivity) yang

dapat diatur, prinsip dasarnya ialah mengatur besaran arus CE dengan arus IB yang

lebih kecil, sehingga transistor bersifat sebagai penguat arus. Ada dua tipe transistor

yang dikenal yaitu transistor NPN dan PNP, dapat dilihat pada gambar 4.1.

Secara umum transistor terbagi dalam 3 jenis :

1. Transistor Bipolar (BJT)

2. Transistor Unipolar (UJT)

3. Transistor Unijunction

Gambar 4.1. Simbol Transistor (BJT)

Hubungan IB,IC dan IE

IE = IC + IB ……………………………………………………............... 4.1

IC = βDC . IB ……………………………………………………............... 4.2

IE = ( βDC + 1) . IB ……………………………………………………............... 4.3

IC = αIE ……………………………………………………............... 4.4

Nilai β berkisar dari 10 sampai 1000, sedangkan α < 1

Vcc

4.1 Pembiasan Transistor

Transistor sebagai komponen aktif, dalam proses kerjanya memerlukan catu daya

tegangan DC (bias DC) untuk membentuk tegangan dan arus yang tetap. Ada

beberapa cara pembiasan transistor antara lain :

1. Fixed Bias

Gambar 4.2 Pembiasan transistor dengan cara self bias

Sehingga didapatkan arus dan tegangan dalam rangkaian sebagai berikut :

IC = VCC – VCE/RC ........................................................................ 4.1

IB = (VCC - VBE) / RB ....................................................................... 4.2

β = IC/IB ............................................................................................................ 4.3

VCE = VCC - VRC ......................................................................... 4.4

saat IC = 0 VCE = VCC ........................................................................ 4.5

VBE = 0,7 Volt

Jika nilai IB divariasikan dengan mengubah-ubah nilai Rb, maka akan didapatkan kurva

karakteristik output transistor seperti gambar 4.3, yang menghasilkan tiga daerah kerja

transistor yaitu: daerah saturasi, daerah aktif, daerah cut-off.

Supaya BJT bisa di-bias dalam daerah linear (daerah aktif), beberapa syarat berikut

harus dipenuhi:

- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)

- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)

Daerah kerja transistor (cut-off, aktif atau saturasi) yang terlihat pada gambar 4.3

ditentukan oleh bias yang diberikan pada masing-masing junction :

Gambar 4.3 Kurva karakteristik output

1. Daerah aktif/daerah linear

- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)

- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)

2. Daerah saturasi

- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)

- Junction base-collector dibias maju (forward bias)

3. daerah cut-off

- Junction base-emitter dibias mundur (reverse bias)

- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)

Dari gambar 4.2, dapat dianalisa dari arah input dan output seperti terlihat pada gambar

4.4 yaitu (a) Loop basis-emitter, (b) loop colektor-Emitor :

(a) (b)

Gambar. 4.4 Loop emitor-basis dan colektor-Emitor

Dengan hukum Kirchhoff :

Didapatkan persamaaman untuk :

Loop basis-emitter

→ …………………………… 4.6

Loop collector-emitter

VCE = VCC – ICRC …………………………… 4.7

Transistor Saturasi

Transistor saturasi jika juction base collector tidak lagi di bias mundur, yaitu

pada saat:

VCE = 0 V ICsat = VCC / RC ........................................... 4.8

Jika pada gambar 4.2 ditambahkan RE seperti gambar 4.5, maka akan didapatkan

persamaan loop yang bebeda

Gambar 4.5. Self bias dengan RE

Untuk menstabilkan arus loop output, rangkaian bias pada gambar 4.2 ditambahka RE

seperti gambar 4.5 , Sehingga didapat persamaan loop yaitu :

Loop Base-Emitter :

→

Loop Collector - Emitter :

VCC = IE . RE + VCE + IC . RC

Saturasi :

ICsat = VCC/(RC+RE)

2. Bias Umpan Balik (FB bias)

Untuk meningkatkan stabilitas bisa dilakukan dengan memberikan umpan balik

dari collector menuju base atau biasa dikenal self bias seperti gambar 4.6 .

Gambar 4.6 Bias umpan-balikYaitu pemberian bias pada transistor dengan menggunakan tahanan umpan-balik

(feedback), sehingga didapatkan persamaan tegangan untuk :

loop input ( loop base-emitter) :

VCC – I’C . RC – IB . RB –VBE – IERE = 0

Perhatikan bahwa arus IC yang masuk ke kaki collector berbeda dengan I’C,

dimana :

I’C = IB + IC

Tapi nilai IB yang jauh lebih kecil bisa diabaikan untuk memperoleh persamaan

yang lebih sederhana (asumsi I’C ≈ IC ≈ βIB dan IC ≈ IE):

VCC – β . IB . RC – IBRB – VBE - βIBRE = 0

VCC – VBE – βIB (RC +RE) – IB . RB = 0 Sehingga :

Loop Output (Loop collector-emitter)

IERE + VCE + I’CRC = VCC

Dengan I’C ≈ IC dan IC ≈ IE maka,

VCC = IC(RC + RE) + VCE

VCE = VCC - IC(RC + RE)

3. Bias Pembagi Tegangan

Gambar 4.7 Bias pembagi tegangan

Gambar 4.7 adalah rangkaian transistor dengan bias pembagi tegangan, dengan melihat

hanya proses bias DC, maka dapat disederhanakan seperti gambar 4.8

Gambar 4.8 Bias pembagi tegangan disederhanakan

………………………………………………. 4.9

………………………………………………. 4.10

………………………………………………. 4.11

………………………………………………. 4.12

………………………………………………. 4.13

………………………………………………. 4.14

4.2 Konfigurasi Transistor

Pada penerapan secara umum rangkaian transistor dibedakan dalam tiga betuk

rangkaian/konfigurasi antara lain:

a. Common Basis (Basis bersama)

b. Common Emitor (Emitor bersama)

c. Common Kolektor (Kolektor bersama)

Masing-masing konfigurasi memiliki karakteristik seperti pada tabel 4.1,

Tabel 4.1

Konfigurasi Ai Av Zin Zo Ap

CB G 0,99 G 50 G 50ΩG 250 k

ΩG 50

CE G 250 G 50 G 1 k Ω G 50 k Ω G 2500

CC G 250 1G 100 k

ΩG 1 k Ω G 50

Dengan bentuk rangkaian dasarnya :

a. Common Basis (CB)

b. Common Emitor (CE)

c. Common olektor (CC)

4.2 Transistor Sebagai Saklar (Switch)

Daerah kerja transistor yang dihasilkan pada gambar kurva output yaitu:

Daerah saturasi, aktif dan cut-off, memungkinkan transistor difungsikan sebagai saklar

seperti gambar 4.9, dengan cara kerjat : Saat IB ada (terpenuhi), akan mengalir arus IC

langsung ke ground sehingga VC = 0 Volt , hal ini sama dengan logika saklar ON. Saat

IB tidak ada (tidak terpenuhi) arus IC tidak ada , sehingga VC = 0 Volt, hal ini sama

dengan logika saklar OFF

Gambar 4.9. Transistor sebagai saklar

Dengan persamaan tegangan :

Hal ini dapat dijelaskan dengan menganalisa daerah saturasi dan cut-off pada kurva

karakteristik output transistor dan garis beban dc seperti pada gambar 4.10.

Gambar 4.10 Kurva karakteristik output dengan garis bebean DC

Daerah saturasi terjadi pada saat IC maksimum sehingga Vc ≈ 0 Volt (IB

maksimum/Saklar-on).

Daerah cut-off terjadi pada saat VC maksimum sehingga Ic ≈ 0 Volt (IB

minimum/Saklar off).

Dua kondisi tersebut menggambarkan kondisi saklar tertutup dan terbuka seperti

gambar 4.11

(a) (b)

Gambar 4.11 (a). Saklar on (b). Saklar off

Pada gambar 4.11 (a) saklar on, mewakili logika transistor saturasi (IB

maksimum, IC maksimum dan VC minimum).

Pada gambar 4.11 (b) saklar off, mewakili logika transistor cut-off (IB

minimum, IC minimum dan VC maksimum).

Gambar di samping adalah transistor sebagai

saklar, yang digunakan untuk mengendalikan

nyala LED sesuai dengan pulsa yang diberikan

pada masukan.

Prinsip kerjanya adalah : Jika pada RB

diberikan pulsa, maka LED akan menyala

selama panjang pulsa yang diberikan .

Contoh :

1.

Jika pada contoh 1. rangkaian diberikan ketentuan :

a. Tegangan dan arus LED 2Volt dan 10 mA

b. β transistor 100

c. IB 100 uA

d. Tegangan pulsa 5 Volt dan VCC = 6 Volt

Tentukan besarnya nilai RB dan RC.

Dari persamaan 4.1 sampai 4.3 dapat dijelaskan sebagai berikut :

Tegangan pulsa = VB = 5 Volt

VRB = VB – V LED = 5Volt – 2Volt = 3 Volt

β = 100, IB 100 uA sehingga IC = β . IB = 10 mA

sehingga RB = VRB / IB = 3 Volt / 10 mA = 300Ω

RC = (VCC – VCE – VLED ) / IC

= ( 6 – 0 – 2 ) Volt / 10mA = 400 Ω

2.

Prinsip kerjanya adalah : Jika pada RB

diberikan pulsa, maka Relay akan bekerja,

sehingga lampu menyala selama panjang pulsa

yang diberikan .

Jika pada contoh 2 rangkaian diberikan ketentuan :

a. Tegangan dan arus Relay 6Volt dan 50 mA

b. β transistor 100

c. Tegangan pulsa 5 Volt dan VCC = 9 Volt

Tentukan besarnya nilai RB dan RE.

Dari persamaan 4.1 sampai 4.3 dapat dijelaskan sebagai berikut :

Tegangan pulsa = VB = 5 Volt

IC = I Relay = 50 mA

VRE = VCC - VCE – VRelay =9 Volt – 0 - 6 Volt = 3 Volt

VRB = VB – VRE = 5Volt – 3Volt = 2 Volt

β = 100, sehingga IB = IC / β = 500uA

→ RB = VRB / IB = 2 Volt / 500 uA = 4kΩ

→ RE = (VCC – VCE – VRelay ) / IE dan IE = IC + IB = 50,5 mA

= ( 9 – 0 – 6 ) Volt / 50,5 mA =59,4 Ω

4.3 Transistor Sebagai Penguat (Amplifier)

Antara colektor dan basis (VCB)

Antara colektor dan emitor (VCE)

Antara basis dan emitor (VBE)

Arus colektor (IC)

Arus emitor (IE)

Arus basis (IB)

Gambar 4.12 Daerah aktif (Q-Point) transistor

Penggunaan transistor sebagai saklar menempati daerah saturasi dan cut-off pada kurva

karakteristik out-put, sedangkan untuk transistor sebagai penguat tegangan ataupun

arus, menggunakan daerah aktif.

Bahasan transistor sebagai penguat dimulai dari pembiasan transistor (cara

mengaktifkan Transistor) secara DC dan dilanjutkan dengan bahasan pembiasan

transistor secara AC.

Gambar 4.13 Tarnsistor dibias maju

Pada gambar 4.13 terdapat tiga tegangan dan arus dc yang saling berhubungan antara

lain :

Perbandingan antara IB dan IC ninotasikan sebagai beta (β), dimana yang

bernilai antara 50 sampai 400, ini merupakan nilai penguatan dari transistor.

Sedangkan antara IC dan IE dinotasikan sebagai alfa (α ), dimana yang bernilai

0,95 sampai 0,99. Persamaan untuk analisa DC pada bahasan penguat ini sudah

dituliskan pada persamaan 4.1 samapi 4.11.

4.3.1 Penguat Sinyal Kecil

Ada beberapa cara untuk membahas penguat transistor signal kecil (Small

Signal ac Response) antara lain :

a. Model rangkaian ekuivalen ac.

b. Model (re)

c. Model Hibrida

a. Model rangkaian ekuivalen ac.

Sebagai contoh kita gunakan rangkaian penguat dengan bias pembagi tegangan seperti

gambar 4.7, dengan langkah-langkah sebagai berikut :

Gambar 4.14

1. Setting Semua Sumber DC menjadi nol dan hubungsingkatkan semua kapasitor

Gambar 4.15

2. Gambar Ulang RangkaianTransistor

Gambar 4.16

Langkah selanjutnya dalam bahasan ini adalah mengasumsikan transistor sebagai

kotak dengan saluran input dan output, yang dikenal sebagai two port system dengan

parameter-parameternya seperti gambar 4.17.

Gambar 4.16

Beberapa parameter penting yang perlu diketahui dalam Permodelan Transistor

BJTyaitu :

• Zi , Impedansi Input

• ZO , Impedansi output

• AV , Penguatan tegangan

• Ai , Penguatan arus

• Zi , Impedansi Input

Hubungan Rs dan Zi adalah seri dan Vi ada pada Zi, sehingga :

Contoh 1:

Rs = 600Ω , Zi = 1k2Ω, Vs = 10 mV (ulangi untuk nilai Zi = 800Ω dan 1200Ω)

•Nilai Zi sangat berpengaruh terhadap sinyal masukan.

• Nilai resistance input ac tergantung pada mode transistor yang dipakai, apakah

Common Emitter, Common Base,atau Common Collector.

• Zo , Impedansi Output

• Pada sebuah penguatan (amplifier) nilai Zo idealnya harus sangat besar, jika

nilai Zo >> RL maka arus akan menuju ke beban.

Contoh 2 :

Vs = 1V, 680 mV dan Rs 20KΩ Hitung nilai Zo?

Penguatan Tegangan, AV

Penguatan Arus, AI

b. Model rangkaian ekuivalen (re).

Common Base (CB)

Model ekuivalen re menggunakan diode dan sumber arus terkendali (Controlled

Current Source) untuk mengilustrasikan kerja transistor, karena pada umumnya

amplifier BJT bekerja sebagai current controlled devices.

Zi = re dimana ( Subscrib E menunjukkan adanya arus DC di emitor yang

menentukan resistansi ac pada dioda emitor).

Biasanya konfigurasi CB ini nilai Zi < 50 Ohm

Impedansi output untuk konfigurasi Common Base adalah : Zo ≅ ∞ Ω

Sehingga AV (CB) :

Vo = - Io . RL = - ( - IC ) RL = α Ie . RL

Vi = Ie . Zi = Ie . re sehingga

sehingga

Sedangkan untuk penguat arus Ai :

Contoh :

Pada gambar diatas mempunyai nilai Ie = 4 mA, α =0.98 sinyal input ac = 2

mV diantara basis dan emiter,tentukan :

(a) Impedansi Input

(b) Hitung Av jika pada output terdapat beban 0.56 kΩ.

(c) Tentukan impedansi output dan penguatan arusnya

Common Emitor (CE)

Arus yang melewati diode adalah Ie = Ic + Ib = ßIb + Ib

Penguatan tegangan (Av ):

Vo = - Io . RL = - Ic . RL = - ßIb. RL

Vi = Ii . Zi = Ib. ßre

Sehingga

sehingga

Setelah diketahui bahwa pada Common Emitter nilai Zi = ßre ; arus collector ßIb

output impedance adalah ro , maka bentuk ekuivalen model yang cocok untuk

common emitter adalah :

Contoh :

Jika diketahui sebuah penguat Common Emitter dg nilai ß = 120 IE = 3.2 mA dan ro =

Takterhingga , tentukan :

(a) Zi

(b) Av jika diberi beban 2kΩ

(c) Ai dengan beban 2kΩ

c. Model rangkaian ekuivalen hybrida.

Pada bagian ini akan diuraikan Model Hybrid Equivalent, beberapa parameter

akan digambarkan pada suatu titik operasi yang mungkin bisa atau tidak untuk

mencerminkan kondisi-kondisi operasi yang nyata suatu amplifier.

Dalam kaitannya dengan kenyataan bahwa data sheet transistor tidak menyediakan

parameter untuk rangkaian ekuivalen pada tiap-tiap titik operasi yang mungkin,

misalkan hfb.

Deskripsi model hybrid equivalen akan dimulai dengan Two Port System ; seperti

gambar,

saat Vo = 0

h11 diperoleh dengan dengan membuat Vo = 0 (Short Circuit the Output Terminal).

h11 mempunyai satuan ohm, h11 merupakan perbandingan antara tegangan input dan

arus input.

h11 disebut sebagai short-circuit input impedance parameter.Notasi 11 menunjukkan

bahwa parameter ini ditentukan oleh perbandingan pengukuran pada terminal input.

saat Vo = 0

h21 diperoleh dengan dengan membuat VO = 0. h21 tidak mempunyai satuan , h21

merupakan perbandingan antara Arus Output dan Arus Input. h21 disebut sebagai

Short-circuit Forward transfer Current ratio parameter.

Notasi 21 menunjukkan bahwa parameter ini ditentukan oleh perbandingan

pengukuran output terhadap pengukuran input.

saat Ii = 0

h22 diperoleh dengan dengan membuat Ii = 0. h22 mempunyai satuan siemens, h22

merupakan perbandingan antara arus output dan tegangan output. h22 disebut sebagai

open-circuit output admittance parameter.

Notasi 22 menunjukkan bahwa parameter ini ditentukan oleh perbandingan

pengukuran di output.

Dari pernyataan di atas dapat dituliskan persamaan input outputnya sebagai berikut :

Vi = h11 Ii + h22 Vo sedang Io = h22 Ii + h22 Vo

dan dapat digambarkan dalam rangkaian ekuivalen hibrida sebagai berikut,

Dimana :

h11 = Resistansi input, sebagai hi

h12 = Perbandingan transfer tegangan balik, sebagai hr

h21 = Perbandingan transfer arus maju, sebagai hf

h22 = Conduktansi output, sebagai ho

Sehingga gambar di atas disesuaikan menjadi,