Bipolar Junction Transistor (BJT)

41
1 Bipolar Junction Transistor (BJT)

description

Bipolar Junction Transistor (BJT). Stuktur divais dan cara kerja fisik Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi. Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn. Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp. Mode kerja BJT. - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Bipolar Junction Transistor (BJT)

Page 1: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

1

Bipolar Junction Transistor (BJT)

Page 2: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

2

Stuktur divais dan cara kerja fisik

Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi

Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn

Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp

Page 3: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

3

Mode EBJ CBJ

Cutoff Reverse Reverse

Active Forward Reverse

Reverse Active

Reverse Forward

Saturation Forward Forward

Mode kerja BJT

Page 4: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

4

Gambar 3: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.

Page 5: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

5

Karakteristik Arus – Tegangan

Gambar 4: Simbol rangkaian BJT

Page 6: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

6

Karakteristik Arus – Tegangan

Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif

Page 7: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

7

TBE

TBE

TBE

VvSCE

VvSCB

VvSC

eIi

i

eIi

i

eIi

Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif

Catatan: untuk transistor pnp, gantilah vBE dengan vEB

1

1

1

11

BEBC

EEBEC

iiii

iiiii

VT = tegangan termal = kT/q ≈ 25 mV pada suhu kamar

Page 8: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

8

Contoh soal 1:

Gambar 6: Rangkaian untuk contoh soal 1

Transistor pada gambar (6.a) mempunyai β = 100 dan vBE = 0,7 V pada iC =1mA.Rancanglah rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui collector dan tegangan pada collector = +5 V

Page 9: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

9

Jawab:VC = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktifVC = 5 V → VRC = 15 – 5 = 10 VIC = 2 mA → RC = 5 kΩ

vBE = 0,7 V pada iC = 1 mA → harga vBE pada iC = 2 mA:

V717,012

ln7,0

BEV

VB = 0 V → VE = -0,717 V

β = 100 → α = 100/101 =0,99

mA 02,299,02

C

E

II

Harga RE diperoleh dari:

k 07,702,2

15717,0

15

E

EE I

VR

Page 10: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

10

Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor

Gambar 7: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn

Page 11: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

11

TBE VvSC eIi

Karakteristik iC – vBE identik dengan karakteristik i – v pada dioda.

Karakteristik iE – vBE dan iB – vBE juga exponensial dengan IS yang berbeda: IS/α untuk iE dan IS/β untuk iB.

Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/VT, cukup tinggi (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam.

Untuk vBE < 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga arus normal, vBE berkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk perhitungan awal, vBE = 0,7 V.

Untuk transistor pnp, karakteristik iC- vBE tampak identik, hanya vBE diganti dengan vEB.

Page 12: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

12

Gambar 8: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter.

Page 13: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

13

Karakteristik Common-Emitter

Gambar 9: Karakteristik common-emitter

Page 14: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

14

Penguatan arus common-emitter β.

β didefinisikan sebagai perbandingan antara total arus pada collector dan total arus pada base.β mempunyai harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak tergantung dari kondisi kerja.

Pada gambar 9, sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di titik Q yang mempunyai arus collector ICQ, arus base IBQ dan tegangan collector – emitter VCEQ. Perbandingan arus collector dan arus base adalah β sinyal besar atau dc.

BQ

CQdc I

I

βdc juga dikenal sebagai hFE.

Page 15: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

15

Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan vCE tetap perubahan iB dari IBQ menjadi (IBQ + ∆iB) menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi (ICQ + ∆iC)

tankonsvB

Cac

CEii

βac disebut β ‘incremental’. βac dan βdc biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%.βac disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan hfe.β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada vCE konstan, artinya tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common-emitter

Page 16: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

16

BJT sebagai Penguat dan sebagai Saklar

Pemakaian BJT:– sebagai penguat:

• BJT bekerja pada mode aktif. • BJT berperan sebagai sebuah sumber arus yang

dikendalikan oleh tegangan (VCCS).

• Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector, iC.

• BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi.

• Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, RC.

• Agar penguat menjadi penguat linier, transistor harus diberi bias, dan sinyal akan ditumpangkan pada tegangan bias dan sinyal yang akan diperkuat harus dijaga tetap kecil

– sebagai saklar• BJT bekerja pada mode cutoff dan mode jenuh

Page 17: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

17

Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer

Gambar 10. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter(b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)

Page 18: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

18

Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada gambar 10.

– Tegangan masukan total vI (bias + sinyal) dipasang di antara base dan emitter (ground)

– Tegangan keluaran total vO (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground)

– Resistor RC mempunyai 2 fungsi:

• Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector

• Mengubah arus collector, iC, menjadi tegangan keluaran vOC atau vO

– Tegangan catu VCC diperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat.

Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihat pada gambar 10(b).

vO = vCE = VCC – RCiC

Page 19: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

19

vI = vBE < 0,5 V → transistor cutoff.

0 < vI < 0,5 V, iC kecil sekali, dan vO akan sama dengan tegangan catu VCC (segmen XY pada kurva)

• vI > 0,5 V → transistor mulai aktif, iC naik, vO turun.

• Nilai awal vO tinggi, BJT bekerja pada mode aktif yang menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada segmen ini:

TI

TI

TEB

VvSCCCO

VvS

VvSC

eIRVv

eI

eIi

Page 20: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

20

Mode aktif berakhir ketika vO = vCE turun sampai 0,4 V di bawah tegangan base (vBE atau vI) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki mode jenuh (lihat titik Z pada kurva).Pada daerah jenuh kenaikan vBE menyebabkan vCE turun sedikit saja. vCE = VCEsat berkisar antara 0,1 – 0,2 V. ICsat juga konstan pada harga:

C

CEsatCCCsat R

VVI

Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, RCEsat antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground, sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup.

Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground.Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali vBE.

Page 21: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

21

Penguatan Penguat.

Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif yang ditentukan oleh tegangan dc base – emitter VBE dan tegangan dc collector – emitter VCE. Arus collector IC pada keadaan ini:

CCCCCE

VVSC

IRVV

eII TBE

Jika sinyal vi akan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada VBE dan harus dijaga kecil (lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang linier dari kurva transfer di sekitar titik bias Q.Koefiesin arah dari segmen linier ini sama dengan penguatan tegangan dari penguat untuk sinyal kecil di sekitar titik Q.

Page 22: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

22

Penguatan sinyal kecil Av:

CECCRC

T

RC

T

CCv

CVV

ST

v

VvI

Ov

VvSCCCO

VVV

VV

VRI

A

ReIV

A

dvdv

A

eIRVv

TBE

BEI

Ti

1

Perhatikan:• penguat CE: inverting, artinya sinyal keluaran berbeda 180° dengan sinyal masukan.• peguatan tegangan dari penguat CE adalah perbandingan antara penurunan tegangan pada RC dengan tegangan termal VT.• untuk memaksimumkan penguatan tegangan, penurunan tegangan pada RC harus sebesar mungkin, artinya untuk harga VCC tertentu penguatan harus bekerja pada VCE yang lebih rendah.

Page 23: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

23

Contoh soal 2Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang mempunyai IS = 10-15 A, sebuah resistansi collector RC = 6,8 kΩ dan catu daya VCC = 10 V.

a. Tentukan harga tegangan bias VBE yang diperlukan untuk mengoperasikan transistor pada VCE = 3,2 V. Berapakah harga IC nya?

b. Carilah penguatan tegangan Av pada titik bias. Jika sebuah sinyal masukan sinusoida dengan amplitudo 5 mV ditumpangkan pada VBE, carilah amplitudo sinyal keluaran sinusoida.

c. Carilah kenaikan positif vBE (di atas VBE) yang mendorong transistor ke daerah jenuh, dimana vCE= 0,3 V.

d. Carilah kenaikan negatif vBE yang mendorong transistor ke daerah 1% cut off (vO = 0,99 VCC)

Page 24: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

24

Jawab:a.

mV 8,690

10101

mA 18,6

2,310

153

BE

VV

C

CECCC

V

e

RVV

I

TBE

b.

V36,1005,0272

V/V272025,0

2,310

o

T

CECCv

V

VVV

A

Page 25: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

25

c. Untuk vCE = 0,3 V

mA 617,18,6

3,010

Ci

Untuk menaikkan iC dari 1 mA ke 1,617 mA, vBE harus dinaikkan:

mV 12

1617,1

ln

TBE Vv

d. Untuk vo = 0,99 VCC = 9,9 V

mA 0147,08,6

9,910

Ci

Untuk menurunkan iC dari 1 mA ke 0,0147 mA, vBE harus diturunkan

mV 5,105

10147,0

ln

TBE Vv

Page 26: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

26

Analisis Grafis

Gambar 11 Rangkaian yang akan dianalisa secara grafis

Page 27: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

27

Perhatikan gambar 11 yang mirip dengan rangkaian terdahulu hanya ada tambahan resitansi pada base, RB.

Analisis grafis dilakukan sebagai berikut:1. Tentukan titik bias dc; set vi = 0 dan gunakan cara seperti pada

gambar 12 untuk menentukan arus dc pada base IB.2. Gunakan karakteristik iC–vCE seperti yang terlihat pada gambar

13. Titik kerja akan terletak pada kurva iC–vCE yang mempunyai arus base yang diperoleh (iB = IB)

Gambar 12. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc base pada rangkaian di gambar 11

Page 28: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

28

Gambar 13. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc collector IC dan tegangan collector–emitter VCE pada rangkaian pada gambar 11

vCE = VCC – iCRC

CECC

CCC v

RRV

i1

Hubungan di atas adalah hubungan linier yang digambarkan dengan sebuah garis lurus seperti pada gambar 12. Garis ini dikenal dengan garis beban.

Page 29: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

29

Gambar 14 (a). Penentuan grafis komponen sinyal vbe dan ib ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.

Page 30: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

30

Gambar 14 (b). Penentuan grafis komponen sinyal vce dan ic ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.

Page 31: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

31

Cara kerja sebagai saklar.

BJT bekerja sebagai saklar: gunakan mode cut off dan mode jenuh.

Gambar 16: Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menunjukkan mode operasi yang berbeda dari BJT.

Page 32: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

32

Harga masukan vI bervariasi. vI < 0,5 V → iB = 0, iC = 0 dan vC = VCC → simpul C terputus dari ground → saklar dalam keadaan terbuka.vI > 0,5 V → transistor ‘on’. Pada kenyataannya agar arus mengalir, vBE harus sama dengan 0,7 V, dan vI harus lebih tinggi

Arus base akan menjadi:

B

BEIB R

Vvi

Dan arus collector menjadi:

iC = βiB

Page 33: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

33

Persamaan ini hanya berlaku untuk daerah aktif artinya CBJ tidak forward bias atau vC > vB – 0,4 V.

vC = VCC – RCiC

Jika vI naik, iB akan naik, dan iC akan naik juga, Akibatnya vCE akan turun. Jika vCE turun sampai vB– 0,4V, transistor akan meninggalkan daerah aktif dan memasuki daerah jenuh. Titik ‘edge-of-saturation’ (EOS) ini didefinisikan:

C

CCEOSC R

VI

3,0)(

Dengan asumsi VBE ≈ 0,7 V dan

)(

)(EOSC

EOSB

II

Page 34: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

34

Harga vI yang diperlukan untuk mendorong transistor ke EOS dapat ditentukan dengan persamaan:

VI(EOS) = IB(EOS)RB + VBE

Menaikkan vI > VI(EOS) → menaikkan arus base yang akan mendorong transistor ke daerah jenuh yang semakin dalam. VCE akan sedikit menurun.Asumsikan untuk transistor dalam keadaan jenuh, VCEsat ≈ 0,2 V. Arus collector akan tetap konstan pada ICsat

C

CEsatCCCsat R

VVI

Page 35: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

35

Memaksakan lebih banyak arus pada base mempunyai pengaruh yang kecil pada ICEsat dan VCEsat. Pada keadaan ini saklar tertutup dengan resistansi RCEsat yang rendah dan tegangan offset VCEsat yang rendah.

Pada keadaan jenuh, transistor dapat dipaksa bekerja pada harga β yang diinginkan.yang lebih rendah harga normal.

B

CEsatforced I

I

Perbandingan antara IB dan IB(EOS) disebut faktor ‘overdrive’

Page 36: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

36

Contoh soal 3:

Gambar 17

Transistor pada gambar 17 mempunyai β berkisar antara 50 – 150. Carilah harga RB yang menyebabkan transistor pada keadaan jenuh dengan faktor ‘overdrive’ lebih besar dari 10.

Jawab:Transistor dalam keadaan jenuh, tegangan collector:

VC = VCEsat ≈ 0,2 V

Arus collector:mA 8,9

12,010 CsatI

Page 37: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

37

Untuk membuat transistor jenuh dengan β yang paling rendah, diperlukan arus base paling sedikit:

mA 196,050

8,9

min)(

Csat

EOSB

II

Untuk faktor ‘overdrive’ = 10, arus base harus:IB = 10 x 0,196 = 1,96 mA

Jadi RB yang diperlukan:

k 2,294,13,4

96,17,05

B

B

R

R

Page 38: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

38

Contoh soal 4:

Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100

Gambar 18

Page 39: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

39Gambar 18

Page 40: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

40

Jawab:Gunakan teori Thévenin untuk menyederhanakan rangkaian pada base.

V57,4329,17,0

mA 0128,010129,1

mA 29,11013,3337,05

1

1

k 3,3350//100//

V550100

501515

21

21

2

EEBEB

B

E

BBE

BEBBE

EB

EEBEBBBBB

BBBB

BB

BBB

RIVV

I

I

RRVV

I

II

RIVRIV

RRR

RRR

V

Page 41: Bipolar Junction Transistor  (BJT)

41

Asumsikan transistor bekerja pada mode aktif:

IC = αIE = 0,99 x 1,29 = 1,28 mAVC = +15 – ICRC = 15 – 1,28 x 5 = 8,6 V

Jadi tegangan collector > 4,03 V dari tegangan base → transistor bekerja pada mode aktif