bab vii analisa dc pada transistor - website staff...

Bab IV, Analisa DC pada Transistor Hal: 147

Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I

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 C E C

B B

n np p n p

NPN PNP

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.



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 < IE) :

1. 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).

2. 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:



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 :

1 1CBO CBOB C c

I Ii i iαα α β α−

= − = −

dengan β = hFE

α = hFB

Hubungan ICEO dengan ICBO

Dari 1c B CEO B CEO FE B CEOi i I i I h i Iαβ

α= + = + = +

−

Sehingga β iB = iC - ICEO

Sebelumnya β iB = iC - (β/α) ICBO

Jadi ICEO = (β+1) ICBO ingat 1αβα

=−



NOTASI VAK vAK vak vAK = VAK + vak VAK besaran DC (quiescent) vak besaran AC vAK besaran sesaat total Vak besaran rms dari besaran AC Vakm besaran amplitudo dari besaran AC Contoh : 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



IC IC

VCC VCC

VBBIE IE

IB

VBB

IB

NPN 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)

VCE

VBE

IB

VBE

I B(m

A)

VCE=20V

VCE=10VVCE=1V

0,7 V

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



penambahan VCE arus IB berkurang. Arus BI akan mengalir jika 0,7VBEV > , seperti ditunjukkan pada kurva karakteristik input di atas.

Karakteristik output (IC vs. VCE dengan IB konstan)

IE =IC + IB

BEie

B

vhi

Δ=

Δ

CEsat

Cfe

B V

ihi

Δ=Δ

CFE

B

IhI

=

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 dan transistor dikatakan dalam keadaan Saturasi dengan IB > I

hC

FE. Pada

saat VCE diperbesar IC pun membesar hingga melewati level tegangan VCE saturasi (0,2 ~ 1 volt) hingga transistor bekerja dalam daerah aktif, dengan IB = I

hC

FE. Pada saat ini IC relatif konstan terhadap variasi

tegangan VCE.

VCC

VCEVCE Sat

IC (mA)

IB = 0??AIB = 20 ?A

IB = 40 mA

IB= 60 ?A



Ada beberapa hal yang perlu diperhatikan : 1. Pada daerah aktif IC hampir independen terhadap VCE. IC hanya

bergantung pada IB Penguatan arus.

2. 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.

3. Diatas tegangan VCE tertentu (pada gambar berupa garis putus-putus) akan ada penambahan IC yang sangat besar karena hubungan B-C mendapat bias mundur breakdown dan akan menyebabkan transistor rusak.

4. Nilai VCE tidak bertambah secara signifikan dengan penambahan IB.

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)



10V 0,7V 28,2μA330k

BB BEB

B

V VIR− −

= = =Ω

Sehingga 9,87mAC dc BI Iβ= × =

Tegangan 10V 9,87mA 470 5,36VCE CC C CV V I R= − = − × Ω =

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 SAKLAR

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



IB

VCC

VY Gaya

VCC

VY

IC IC

1k? 1k?

5 volt 5 volt

RCRC

(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 :

y CC C C CC B CV V I R V I Rβ= − = −

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-



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.

IB

VCC

VY

IC

1k ?

5 volt

RC

Vin

2k?

1 2 3 VBE

IB

1

2

3

2,4

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

0,2

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

IC (mA)

VCE

00,1

0,20,4

0,6

0,8

1,0

1,2

ff

daerah aktif

Garis beban RC=1k?

5

5

Gambar 2, Rangkaian transistor saklar dengan kurva V-I nya.

Pada saat Vin = 2,4 volt, maka arus yang mengalir pada terminal basis adalah:

2,4 volt 1,7 volt 0,85 mA2 k 2 kB

VI γ−

= = =Ω Ω

dan

( )max20 0,85 mA=17 mA B CIβ = × > ,

dengan demikian transistor dalam keadaan saturasi dan saklar dalam keadaan ON.



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.

Suatu transistor akan beroperasi dalam daerah saturasi jika CCC

C

VIR

> ,

dengan RC adalah hambatan di kolektor dan VCC adalah tegangan supply. Cara lainnya adalah dengan mengukur VCE ≤ 0,2 volt, atau VCE < VBE.

Untuk merancang agar transistor beroperasi dalam daerah saturasi

dilakukan dengan membuat 10 CCC

C

VIR

> × .

PEMODELAN 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 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 (Basis Bersama) 2. Common Emitter (Emiter Bersama)



3. Common Collector (Kolektor Bersama) Karakteristik dari masing-masing konfigurasi diberikan berikut ini:

Konfigurasi AI AV Zin Zout AP CB hFB ~ 0,99 ~ 50 ~ 50 Ω ~ 250 kΩ ~ 50 CE hFE ~ 250 ~ 50 ~ 1 kΩ ~ 50 kΩ ~ 2500 CC hFE ~ 250 1 ~ 100 kΩ ~ 1 kΩ ~ 50

Konfigurasi Basis Bersama

Penguatan pada konfigurasi basis bersama adalah C

E

IIFBh α= = dan

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 :



IC = hFB IE + ICBO

Sehingga :

IC = hFB (IC + IB) + ICBO

atau

CBOFBB

FB FB

IhI I1 h 1 hC = +− −

Didapat :

FBFE

FB

hh1 h

=−

1αβα

=−

ICEO = CBOCEO

FB

II1 h

=−

Jika hFB ~ 1 , maka ICEO = hFE ICBO

Konfigurasi Common Collector = Pengikut Emiter Perhatikan gambar berikut ini.



VO

VI

VCC

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.

t

V in

V o u t

0 ,7

Cara pembiasan yang dilakukan adalah dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.



RE

R2

R1

RE

R2

R1

VCC

vccvcc

vo

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 2

1 2TH CC

RV VR R

=+

1 2

1 2TH

R RRR R

=+

VCC

RE

IE

IBRTH

VTH A

Gambar 3, Rangkaian ekivalen Emiter bersama

IE = IB + IC



Pada daerah aktif : 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.

VTH

RTH0,7

(hFE+1)RE

Gambar 4, Rangkaian ekivalen loop A dari Gambar 3

Dari loop tsb dengan memanfaatkan KVL, diperoleh :

2CC

1 2

R VR R+

= B E E

R R1 2I 0,7 I RR R1 2

+ ++

2CC

1 2

R VR R+

= B FE E

R R1 2I 0,7 (h 1)RR R1 2

+ + ++

diperoleh :



2CC

1 2B

1 2FE E

1 2

R V 0,7R RI

R R (1 h )RR R

−+

=⎛ ⎞

+ +⎜ ⎟⎝ ⎠

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

AC

RL

VCC

vs

VBB

IB

IC

vCE = VCC - iC RL CE

vBE

vAv

Δ=Δ

ΔvBE = vs Rangkaian ekivalen (BJT yang disederhanakan) adalah :



AC

AChie

ICIB

sb

ie

VIh

=

so ce c L fe b L fe L

ie

VV =V =I R =h I R h Rh

=

Jadi o fe Lv

s ie

V h RAV h

= = −

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 = VR

CC

L

Misalkan data transistor seperti kurva di samping

titik A untuk vCE = 12 volt = VCC

B untuk vCE = 0 volt → iC = 3,6 mA (dari gambar)

maka RL ≈ 33 kΩ.



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 CEv

BE

v 9 4 5A 250v 0,72 0,74 0,02

Δ −= = = = −Δ − −

0 1260 126



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

ReR2

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.



Rc

RE

R1 Rc

ReR2

VCC

RTH IB

IE

21

2CC RR

RV+

VCC VCC

Gambar 6, Rangkaian ekivalen emiter bersama

Dari E B CI I I= + , maka IE = (1+hFE) IB

Di terminal basis, dapat diganti dengan rangkaian pengganti Thevenin,

dengan 2

1 2TH CC

RV VR R

=+

dan 1 2

1 2TH

R RRR R

=+

.

Sehingga persamaan pada loop input adalah:

2 1 2

1 2 1 2

0,7 (1 ) 0CC B E FE BR R RV I R h I

R R R R− − − + =

+ +

Diperoleh:

2

1 2

1 2

1 2

0,7(1 )

RR R CC

B R RR R FE E

VI

h R+

+

−=

+ +

IC = hFE IB

IE = (1+hFE) IB



Sehingga diperoleh: 1

FEC E

FE

hI Ih

=+

artinya untuk FEh besar, misalnya

untuk FEh = 100, 0,991

FE

FE

hh

≈+

artinya E CI I≈ .

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



Diperoleh 2.2kΩ 10V 1.8V2.2kΩ 10kΩthV = =

+ th BV V= ,

dan 2.2kΩ 10kΩ 1.8kΩ2.2kΩ 10kΩthR ×

= =+

Sehingga arus basis adalah 0.7(1 )th

Bth FE E

VIR h R

−=

+ + = 5.4 μA

dan 1.08mAC FE BI h I= × =

1.08mAE CI I≈ ≈

1.08VE E EV I R= × =

10V - 1.08 mA 3.6 k = 6.11 VC CC C CV V I R= − × = × Ω

atau 5.03VCE C EV V V= − =

Dengan menggunakan simulasi berikut ini



Diperoleh:



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

4,7 k?R1

15 volt

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.

2 ,2 k?1 0 0 k?

1 5 vo lt

4 7 0 ?1 8 k?

v o u t

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

4 7 k?

V C C =15 V

4 ,7 k?56 k?

v out



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

vout

560??

470 ?10 k?

56 k?4,7 k?

vin

VCC= 10V

bab vii analisa dc pada transistor - website staff...

Documents