Makalah Elektronika Dasar 2

FKIP Pendidikan Fisika, Universitas Sriwijaya | 2011

KELOMPOK 3 TRANSISTOR SEBAGAI PENGUAT ARUS

Anggota Kelompok 3

1. Muhamad Renza (NIM. 06091011012)2. Iftita Selviana (NIM. 06091011013)3. Ina Rusnani (NIM. 06091011024)4. Fitriyana (NIM. 06091011039)5. Malisa Oktarina (NIM. 06091011046)

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh

Puji dan syukur Tim Penulis haturkan ke hadirat Allah swt karena atas rahmat dan hidayah-Nya, makalah elektronika dasar 2 yang berjudul “Transistor Sebagai Penguat Arus” ini dapat terselesaikan sebagaimana mestinya. Terima kasih juga tak lupa kami sampaikan kepada Pak Zulherman yang telah banyak membimbing kami dalam pembuatan makalah ini dan teman-teman dari Program Studi Pendidikan Fisika Universitas Sriwijaya angkatan 2009, serta banyak pihak lainnya yang tidak dapat kami sebutkan satu per satu.

Transistor memang memiliki berbagai fungsi dalam dunia elektronika. Penggunaannya sering dijumpai pada sebagian besar alat-alat elektronik seperti saat ini. Salah satu fungsi transistor adalah sebagai penguat arus pada rangkaian. Bagaimana cara kerja transistor sebagai penguat arus? Hal inilah yang akan dibahas dalam makalah kali ini.

Tim Penulis menyadari bahwasanya di dalam makalah ini masih terdapat banyak sekali kekurangan. Oleh karena itu, kritik dan saran yang bersifat membangun sangat kami harapkan. Semoga makalah ini berguna bagi siapa saja yang membacanya.

Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh

Indralaya, Maret 2011

Tim Penulis

TRANSISTOR SEBAGAI PENGUAT ARUS

1. Pendahuluan

Transistor adalah suatu alat yang memiliki kemampuan untuk penguatan dan penyakelaran dengan memindahkan sinyal dari rangkaian bertahanan rendah ke rangkaian bertahanan tinggi. Transistor merupakan suatu semikonduktor yang dibuat sedemikian rupa sehingga bagian tipe p diapit oleh bagian tipe n, atau bagian tipe n diapit oleh bagian tipe p. Transistor seperti ini disebut transistor pnp dan npn seperti yang terlihat pada gambar 1 dan 2.

elektron

basis (B) Gambar 1. Transistor NPN

Gambar 2. Transistor PNP

Pada gambar 3 terlihat sebuah transistor yang berada dalam keadaan bias yang tepat. Pada rangkaian ini, sebuah baterai dihubungkan antara sambungan emiter-basis sehingga tegangan pada emiter menjadi lebih negatif daripada basis. Sebuah baterai lain dihubungkan antara sambungan kolektor-basis untuk menjamin bahwa tegangan pada kolektor lebih positif daripada tegangan pada basis.

Gambar 3. Transistor pada keadaan bias maju

Jika transistor berada dalam keadaan bias maju, arus akan mengalir di setiap bagian. Gambar 4 menunjukkan hubungan antara ketiga arus transistor. Arus yang mengalir pada emiter disebut IE, pada basis disebut dengan IB, dan pada

Emiter (E)

B

E

n p nEmiter (E)

Kolektor (C)

C

np pKolektor (C)

Basis (B)

E C

B

B

n npE C

kolektor disebut dengan IC. Mengalirnya ketiga arus ini tetap mengikuti Hukum Kirchoff di mana jumlah arus yang mengalir menuju sebuah komponen harus sama dengan arus yang mengalir keluar dari komponen tersebut, sehingga:

IE = IB + IC

Gambar 4. Arah arus pada transistor

IE selalu lebih kecil daripada IC. Pada banyak aplikasi, nilai IB kecil bahkan sangat kecil sehingga sering diabaikan dalam perhitungan tegangan, arus, dan daya. Jika IB diabaikan, maka IE dan IB dapat dikatakan sama.

IC ~ IE

Hubungan antara IC dan IE yang mengalir pada transistor dikenal dengan nama alfa DC (αdc), di mana:

Karena IC dan IE hampir sama, maka nilai αdc biasanya berkisar antara 0,95 sampai 0,99 dan tidak mungkin lebih besar dari 1. Nilai parameter αdc sudah ditentukan oleh pabrik pembuatnya dan tidak dapat diubah lagi. Parameter ini hanya merupakan rasio desain yang menentukan berapa besar IC yang mengalir pada IE tertentu. αdc juga disebut sebagai rasio transfer arus maju. Parameter lain untuk transistor adalah βdc yang merupakan rasio antara IC dan IB.

βdc juga dikenal dengan nama hFE pada lembar data transistor. Karena IB

sangat kecil, bila dibandingkan dengan IC nilai βdc akan berkisar antara 20 sampai 200.

2. Karakteristik TransistorJika transistor sedang digunakan (menghantarkan arus), sambungan basis-

emiter biasanya dalam kondisi bias maju dan sambungan basis-kolektor biasanya

IB

p pnIE IC

IB

n npIE IC

dalam kondisi bias balik. Pada jenis transistor npn, ini berarti bahwa tegangan basis harus lebih positif daripada emiter dan tegangan kolektor harus lebih positif daripada basis.

Transistor dapat digunakan pada rangkaian dengan tiga cara, yaitu:a. Hubungan common-basis (basis bersama)

Hubungan ini dapat dilihat pada gambar 5. Pada gambar ini juga terdapat tahanan beban (R1) dan tegangan untuk memperoleh keadaan bias (VEE dan VCC). Dengan adanya VEE dan VCC ini dapat diperoleh keadaan bias maju pada sambungan basis-emiter dan keadaan bias balik pada basis-kolektor. Pada rangkaian tersebut, arus emiter IE merupakan arus masukan dan arus kolektor merupakan arus keluaran. Karena IC selalu lebih kecil daripada IE, peningkatan arus (gain arus) akan bernilai lebih kecil dari 1 yang berarti tidak melipatgandakan arus. Hubungan ini dapat melipatgandakan tegangan seperti yang terlihat pada gambar 5. Peningkatan tegangan dihasilkan oleh perbedaan nilai tahanan masukan dan keluaran.

Gambar 5. Hubungan common basisb. Hubungan common emitter (emiter bersama)

Hubungan ini dapat melipatgandakan arus dan tegangan. Contoh rangkaian ini dapat dilihat pada gambar 6. Pada hubungan ini, sinyal dimasukkan pada sambungan basis-emiter, arus pada basis menjadi masukan dan arus kolektor menjadi keluaran. Akibatnya, gain arus dan tegangan menjadi sangat tinggi. Tegangan keluaran yang tinggi disebabkan oleh tahanan masukan yang rendah dan tahanan keluaran yang tinggi.

RL

VCCVEE

VS

IE IC

VBB

VS

RLIB

IE

IC

VCC

Gambar 6. Hubungan common emitter

c. Hubungan common collector (kolektor bersama)Pada hubungan ini, sinyal dimasukkan pada pada bagian basis-kolektor dan bagian keluarannya adalah bagian emiter. Gambar rangkaian kolektor bersama ini dapat dilihat pada gambar 7. Hubungan jenis ini disebut juga hubungan emiter pengikut karena emiter selalu mengikuti atau meniru basis. Jika tegangan basis menurun maka tegangan emiter akan ikut menurun. Tahanan masukan hubungan jenis ini sangat besar karena sinyal masukan diberikan pada sambungan basis-kolektor yang berada dalam keadaan bias balik. Karena tahanan masukan sangat besar dan tahanan keluaran relatif kecil, hubungan ini dapat meningkatkan arus tetapi tidak dapat meningkatkan tegangan. Rangkaian ini sering digunakan sebagai rangkaian penyesuaian impedansi; sumber yang memiliki tahanan tinggi digunakan untuk menggerakkan beban bertahanan rendah.

Gambar 7. Hubungan common collector

3. Penguat Emiter Yang DitanahkanTelah dijelaskan sebelumnya bahwa hubungan emiter bersama atau emiter

yang ditanahkan diketahui dapat melipatgandakan arus dan tegangan. Dengan demikian, transistor dapat dipakai sebagai penguat arus apabila dipasang dengan hubungan common emitter ini.

VBB

VCC

RL

VS

IE

IB

IC

Pada penguat emitor ditanahkan, sinyal masuk melalui basis dan emitor, dihubungkan dengan tanah, sedangkan keluaran diambil dari kolektor. Penguat

emitor ditanahkan memiliki impedansi masukan kali lebih besar daripada

penguat basis ditanahkan dan impedansi keluaran transistor (1 – α) lebih kecil daripada penguat basis ditanahkan. Impedansi masukan yang tak terlalu besar dan impedansi keluaran yang tak terlalu kecil menyebabkan penguat emitor ditanahkan sangat baik dipasangkan dalam beberapa tahap tanpa banyak ketaksesuaian impedansi pada alih tegangan dari satu tahap ke tahap lain.

a. Ciri statik transistor dengan hubungan emitor ditanahkanCiri keluaran. Lengkung ciri statistik keluaran transistor jika dihubungkan dengan emitor ditanahkan akan seperti gambar 8. Perhatikan beberapa hal berikut pada lengkungan ciri statik transistor dengan hubungan emitor ditanahkan.

Sumbu tegak adalah arus kolektor IC, sumbu datar adalah beda tegangan antara kolektor dan emitor (VCE) dengan parameter arus basis IB.

Nisbah , yang pada gambar 8 mempunyai nilai kira-kira 100,

sehingga arus basis mempunyai nilai kecil. Jika arus kolektor terdapat dalam orde 1 mA, maka arus basis yang masuk adalah puluhan mikro ampere.

Jika arus IB = 0, maka IC = 0. Lengkungan ciri statik masing-masing arus basis IB mempunyai

kemiringan yang benar, yang berarti impedansi keluaran transistor yang sebanding dengan kebalikan kemiringan lengkungan ciri statik memiliki nilai kecil. Makin besar arus IB makin besar kemiringannya.

Gambar 8. Karakteristik keluaran common emitterCiri masukan. Lengkung ciri statik masukan penguat untuk transistor silikon dapat dilihat pada gambar 9. Perhatikan beberapa hal berikut pada lengkungan ciri statik masukan transistor dengan hubungan emitor ditanahkan.

Sumbu tegak adalah arus basis IB yang mempunyai nilai dalam μA dan sumbu datar adalah VBE. Jika dibandingkan dengan transistor dalam penguat basis ditanahkan, impedansi masukan adalah (1 + β) kali lebih

besar daripada penguat emitor ditanahkan karena . Dengan

demikian kemiringan lengkungan adalah kali lebih kecil, yang berarti

impedansi masukan ( 1 + β) kali lebih besar daripada penguat emitor ditanahkan.

Pada VCE = 0 arus basis naik dengan cepat dibandingkan dengan nilai VCE

yang lain. Ini berlawanan dengan yang terjadi pada penguat basis ditanahkan, di mana untuk nilai VCB besar kurva ciri statik masukan lebih cepat naik.

Gambar 9. Karakteristik masukan hubungan common emitter

4. Mekanisme Penguatan dalam TransistorGambar 10 menunjukkan transistor NPN dengan dua sumber tegangan dan

resistansi beban RL. Sumber tegangan VEE mencatu hubungan emiter-basis dalam arah maju (catu maju), dan VCC mencatu hubungan kolektor-basis menurut arah sebaliknya (catu balik). Kalau sumber tegangan tidak ada, dengan mengabaikan lebar daerah muatan ruang, perubahan energi halangan lewat transistor, ditunjukkan seperti gambar 11. Perubahan energi halangan lewat transistor, sesudah tegangan catu diberikan, ditunjukkan dalam gambar 12. Telah dimisalkan bahwa resistansi dari daerah-daerah emiter, basis, dan kolektor diabaikan dan tegangan yang digunakan muncul seluruhnya lewat hubungan-hubungan. Pencatuan maju hubungan emiter-basis menurunkan energi halangan sebesar

dan pencatuan balik hubungan kolektor-basis menaikkan energi halangan

lewat hubungan tersebut sebesar . Pencatuan maju hubungan emiter-basis

memungkinkan sejumlah besar elektron diinjeksikan ke dalam basis dari emiter. Karena penghantaran (konduktivitas) emiter dibuat jauh lebih besar daripada penghantaran basis, maka sejumlah kecil lobang mengalir dari basis ke emiter. Jadi, arus emiter seluruhnya disebabkan oleh aliran elektron dalam transistor NPN.

Setelah masuk daerah basis, elektron membentuk gradien konsentrasi di daerah ini. Konsentrasi pada daerah hubungan emiter jauh lebih besar daripada konsentrasi dalam daerah hubungan kolektor. Karena itu elektron yang diinjeksikan pada prinsipnya bergerak secara difusi lewat daerah basis menuju hubungan kolektor. Pada saat melewati daerah basis beberapa elektron hilang akibat rekomendasi dengan lobang-lobang dari daerah basis. Dalam transistor basis dibuat sangat tipis, sehingga sejumlah elektron yang hilang karena rekomendasi sangat kecil. Lagipula, karena kolektor dibuat positif terhadap basis, pada saat mencapai hubungan kolektor, elektron akan segera ditarik oleh terminal kolektor tetapi mendekati arus emiter, karena beberapa elektron hilang dalam proses rekombinasi pada saat bergerak lewat.

Hubungan emiter-basis mendapat catu maju sehingga resistansi dinamisnya kecil. Sebaliknya, resistansi dinamis hubungan kolektor-basis sangat besar karena hubungan kolektor dicatu balik. Jadi kita simpulkan, karena aksi transistor, arus dari rangkaian masuk resistansi rendah dipindahkan menuju rangkaian keluaran beresistansi tinggi dengan pengurangan yang terabaikan dengan akibatnya pada perolehan daya. Kenyataannya, nama transistor berasal dari kata transfer resistor.

5. Perolehan Penguat (Gain)Kalau suatu tegangan AC dihimpitkan ke tegangan DC VEE pada masukan,

tinggi halangan pada hubungan emiter akan berubah secara periodik. Hal ini akan memberikan perubahan periodik arus emiter yang selanjutnya menyebabkan perubahan periodik yang sama pada arus kolektor. Besarnya komponen bolak-balik dari arus kolektor hampir sama (kenyataannya sedikit kurang dari) komponen bersangkutan dari arus emiter. Komponen bolak-balik dari arus kolektor akan menimbulkan penurunan tegangan bolak-balik melewati resistansi beban RL. Hal ini membentuk tegangan keluaran dari penguat transistor.

Jika komponen AC dari arus emiter sama dengan ie, maka tegangan sinyal masuk Vin diberikan oleh:

di mana rin adalah resistansi dinamis dari hubungan emiter-basis.Jika ic adalah komponen AC dari arus kolektor dan V0 adalah tegangan

keluaran bolak-balik lewat RL, maka:

Tanda negatif pada persamaan di atas muncul karena kenaikan arus kolektor menyebabkan ujung bawah RL lebih positif dibandingkan dengan ujung

atas dalam gambar 10. Polaritas acuan untuk tegangan keluaran lewat RL

ditunjukkan dalam gambar tersebut.Perolehan tegangan (voltage gain) AV dari penguat transistor didefinisikan

sebagai perbandingan komponen bolak-balik dari tegangan keluaran (V0) ke tegangan masuk (Vin). Karena itu, AV diberikan oleh:

Besaran –ic/ie dinamakan perolehan arus (gain current) (AI) dari transistor. Karena tanda dari ic dan ie untuk transistor berlawanan, AI positif, yang selanjutnya mengakibatkan AV positif. Penafsiran fisika dari hasil ini adalah sebagai berikut:

Dengan mengacu ke gambar 12, kenaikan Vin memperkecil catu maju pada hubungan emiter-basis. Hal ini mengakibatkan berkurangnya arus kolektor yang mengakibatkan ujung atas RL lebih positif dibandingkan dengan ujung bawah. Jadi, kenaikan Vin mengakibatkan kenaikan V0. Jadi, dalam hal ini, tidak ada perbedaan fase antara tegangan masuk dan tegangan keluar.

Besaran AI agak kurang dari 1, namun RL dapat dibuat jauh lebih besar daripada rin sehingga AV menjadi cukup besar dari 1. Hasilnya adalah perolehan tegangan yang cukup besar. Perolehan daya transistor kita peroleh dari persamaan berikut:

Gambar 10. Transistor NPN dengan dua sumber tegangan dan resistansi RL

Gambar 11. Perubahan energi dari transistor tanpa catu

Energi n

C

IC

RL

V0VCB

IB

VCCB

VEB

E

VEE

IE

p n CVB

p n

Gambar 12. Perubahan energi jika transistor dicatu

6. Contoh Rangkaian Penguat Arus Menggunakan Transistor 2N3055Rangkaian penguat arus dengan menggunakan transistor 2N3055 ini

adalah sebuah rangkaian adaptor dengan spesifikasi 3 A 12 V. Dengan menggunakan transformator step down, maka tegangan AC sebesar 220 V dijadikan tegangan sebesar 12 V. Setelah tegangan output transformator bernilai 12 V AC, arus AC dijadikan arus DC dengan menggunakan jembatan dioda menggunakan 4 buah dioda sejenis. Dioda zener dan beberapa kapasitor dipasangkan di rangkaian setelah jembatan dioda untuk menstabilkan tegangan sebelum mencapai transistor 2N3055. Rangkaian ini akan menghasilkan arus keluaran yang sangat besar.

Gambar 13. Rangkaian Adaptor dengan transistor 2N3055

eVB

eVB

Energi

n

eVB – e |VEB|

eVB + e |VCB|

DAFTAR PUSTAKA

Rusdianto, Eduard. 1999. Penerapan Konsep Dasar Listrik dan Elektronika. Yogyakarta: Kanisius

Sutrisno. 1986. Elektronika Teori Dasar dan Penerapannya Jilid 1. Bandung: Penerbit ITB