Konsep Dasar Transistor

Transistor adalah komponen elektronika multitermal, biasanya memiliki 3 terminal. Secara harfiah, kata ‘Transistor’ berarti ‘ Transfer resistor’, yaitu suatu komponen yang nilai resistansi antara terminalnya dapat diatur. Secara umum transistor terbagi dalam 3 jenis :

Transistor Bipolar

Transistor Unipolar

Transistor Unijunction

Transistor bipolar bekerja dengan 2 macam carrier, sedangkan unipolar satu macam saja, hole atau electron. Beberapa perbandingan transistor bipolar dan unipolar :

Bipolar Unipolar

Dimensi Besar Kecil

Daya Besar Kecil

Bandwidth Lebar Sempit

Respon Tinggi Sedang

Jenis Input Arus Tegangan

Impendansi Input Sedang Tinggi

Pada transistor bipolar, arus yang mengalir berupa arus lubang (hole) dan arus electron atau berupa pembawa muatan mayoritas dan minoritas. Transistor dapat berfungsi sebagai penguat tegangan, penguat arus, penguat daya atau sebagai saklar.

Ada 2 jenis transistor yaitu PNP dan NPN.

Transistor di desain dari pemanfaatan sifat diode, arus menghantar dari diode dapat dikontrol oleh electron yang ditambahkan pada pertemuan PN diode. Dengan penambahan elekdiode pengontrol ini, maka diode semi-konduktor dapat dianggap dua buah diode yang mempunyai electrode bersama pada pertemuan. Junction semacam ini disebut transistor bipolar dan dapat digambarkan sebagai berikut :

Dengan memilih electrode pengontrol dari type P atau type N sebagai electrode persekutuan antara dua diode, maka dihasilkan transistor jenis PNP dan NPN. Transistor dapat bekerja apabila diberi tegangan, tujuan pemberian tegangan pada transistor adalah agar transistor tersebut dapat mencapai suatu kondisi menghantar atau menyumbat. Baik transistor NPN maupun PNP tegangan antara emitor dan basis adalah forward bias, sedangkan antara basis dengan kolektor adalah reverse bias.

Dari cara pemberian tegangan muka didapatkan dua kondisi yaitu menghantar dan menyumbat seperti pada gambar transistor NPN dibawah ini.

Pemberian tegangan pada transistor Tegangan pada Vcc jauh lebih besar dari tegangan pada Veb. Diode basis-emitor mendapat forward bias, akibatnya electron mengalir dari emitor ke basis, aliran electron ini disebut arus emitor (IE). Elektron electron ini tidak mengalir dari kolektor ke basis, tetapi sebaliknya sebagian besar electron-elektron yang berada pada emitor tertarik ke kolektor, karena tegangan Vcc jauh lebih besar dari pada tegangan Veb dan mengakibatkan aliran electron dari emitor menuju kolektor melewati basis. Electron-elektron ini tidak semuanya tertarik ke kolektor tetapi sebagian kecil menjadi arus basis (IB).

Penguatan Transistor αdc = IC / IE (perbandingan antara arus kolektor dengan arus emitter) Berdasarkan hukum kirchoff : IE = IB + IC : IC IE/IC = IB / IC + IC / IC 1/αdc = 1 / βdc + 1 1/αdc = 1/βdc + βdc/βdc 1/αdc = 1 + βdc / βdc αdc = βdc / 1 + βdc

βdc= IC / IB (perbandingan antara arus kolektor dengan arus basis) IE=IB+IC : IC IE/IC=IB/IC+IC/IC 1/αdc = 1 / βdc + 1 1/βdc = 1 / αdc – 1 1/βdc = 1 / αdc – αdc / αdc 1/βdc = 1 – αdc / αdc βdc = αdc / 1 – αdc

Daerah kerja transistor

Daerah kerja transistor dapat dibagi dalam 3 bagian sebagai berikut :

daerah aktif

suatu transistor berada didaerah aktif apabila diode basis emitter dibias forward dan diode basis kolektor berada dibias reverse.

daerah saturasi

suatu transistor berada didaerah saturasi apabila diode basis emitter di bias forward dan diode basis kolektor berada dibias forward.

daerah cutoff

suatu transistor berada pada kondisi cutoff apabila keduanya berada pada bias reverse.

TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR

Salah satu fungsi transistor adalah sebagai saklar yaitu bila berada pada dua daerah kerjanya yaitu daerah jenuh (saturasi) dan daerah mati (cut-off). Transistor akan mengalami perubahan kondisi dari menyumbat ke jenuh dan sebaliknya. Transistor dalam keadaan menyumbat dapat dianalogikan sebagai saklar dalam keadaan terbuka, sedangkan dalam keadaan jenuh seperti saklar yang menutup.

Titik Kerja Transistor Daerah Jenuh Transistor Daerah kerja transistor saat jenuh adalah keadaan dimana transistor mengalirkan arus secara maksimum dari kolektor ke emitor sehingga transistor tersebut seolah-olah short pada hubungan kolektor – emitor. Pada daerah ini transistor dikatakan menghantar maksimum (sambungan CE terhubung maksimum)

Daerah Aktif Transistor Pada daerah kerja ini transistor biasanya digunakan sebagai penguat sinyal. Transistor dikatakan bekerja pada daerah aktif karena transistor selelu mengalirkan arus dari kolektor ke emitor walaupun tidak dalam proses penguatan sinyal, hal ini ditujukan untuk menghasilkan sinyal keluaran yang tidak cacat. Daerah aktif terletak antara daerah jenuh (saturasi) dan daerah mati (Cut off).

Daerah Mati Transistor Daerah cut off merupakan daerah kerja transistor dimana keadaan transistor menyumbat pada hubungan kolektor – emitor. Daerah cut off sering dinamakan sebagai daerah mati karena pada daerah kerja ini transistor tidak dapat mengalirkan arus dari kolektor ke emitor. Pada daerah cut off transistor dapat di analogikan sebagai saklar terbuka pada hubungan kolektor – emitor.

Grafik Kurva Karakteristik Transistor

Untuk membuat transistor menghantar, pada masukan basis perlu diberi tegangan. Besarnya tegangan harus lebih besar dari Vbe (0,3 untuk germanium dan 0,7 untuk silicon). Dengan mengatur Ib>Ic/β kondisi transistor akan menjadi jenuh seakan kolektor dan emitor short circuit. Arus mengalir dari kolektor ke emitor tanpa hambatan dan Vce≈0. Besar arus yang mengalir dari kolektor ke emitor sama dengan Vcc/Rc. Keadaan seperti ini menyerupai saklar dalam kondisi tertutup (ON).

Transistor Kondisi Jenuh (Saklar Posisi ON)

Dengan mengatur Ib = 0 atau tidak memberi tegangan pada bias basis atau basis diberi tegangan mundur terhadap emitor maka transistor akan dalam kondisi mati (cut off), sehingga tak ada arus mengalir dari kolektor ke emitor (Ic≈0) dan Vce ≈ Vcc. Keadaan ini menyerupai saklar pada kondisi terbuka seperti ditunjukan pada gambar diatas.

Besarnya tegangan antara kolektor dan emitor transistor pada kondisi mati atau cut off adalah :

Karena kondisi mati Ic = 0 (transistor ideal) maka:

Besar arus basis Ib adalah Ib=\frac{Ic}{\beta }

TITIK KERJA TRANSISTOR

Pemberian bias tegangan dc pada rangkaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor level tegangan dan arus yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga menentukan daerah kerja transistor. Oleh karena titik kerja tersebut merupakan titik yang tetap dalam kurva karakteristik, yang disebut dengan titik-Q (atau Quiescent Point).

Pada dasarnya titik kerja suatu rangkaian penguat bisa diletakkan dimana saja di kurva karakteristik. Agar rangkaian penguat dapat menguatkan sinyal dengan linier atau tanpa cacat, maka titik kerja transistor ditempatkan di tengah daerah aktif. Disamping itu agar titik kerja tidak diletakkan diluar batas maksimum dari arus maupun tegangan yang sudah ditentukan oleh pabrik untuk menjaga transistor dari kerusakan. Berikut gambar kurva karakteristik transistor dengan empat buah contoh titik kerja yang diberi nama A, B, dan C.

Kurva Karakteristik Output Transistor

Pada gambar diatas terlihat arus IC maksimum adalah 40 mA dan tegangan VCE maksimum sebesar 20 Volt. Disamping nilai arus dan tegangan maksimum tersebut yang tidak boleh dilampaui adalah daya kolektor maksimum PCmaks. Dalam gambar PCmaks ini ditunjukkan oleh garis lengkung putus-putus. PCmaks atau disipasi daya kolektor maksimum ini merupakan perkalian IC dengan VCE. Dengan demikian titik kerja harus diletakkan di dalam batas-batas tersebut.

Transistor yang bekerja pada titik A kurang begitu memuaskan karena termasuk pada kurva non-linier, sehingga sinyal output yang dihasilkan cenderung cacat. Demikian juga pada titik C, karena terletak hampir pada batas kemampuan VCE transistor. Disamping itu transistor juga akan cepat panas. Titik B merupakan pilihan terbaik sebagai titik kerja transistor sebagai penguat, karena terletak di tengah-tengah, sehingga memungkinkan transistor dapat menguatkan sinyal input secara maksimum tanpa cacat.

Agar transistor bekerja pada suatu titik kerja tertentu diperlukan rangkaian bias. Rangkaian bias ini akan menjamin pemberian tegangan bias persambungan E-B dan B-C dari transistor dengan benar. Transistor akan bekerja pada daerah aktif bila persambungan E-B diberi bias maju dan B-C diberi bias mundur.

Dalam praktek dikenal berbagai bentuk rangkaian bias yang masing-masing mempunyai keuntungan dan kerugian. Kemantapan kerja transistor terhadap pengaruh temperatur merupakan faktor yang perlu diperhatikan dalam menentukan bentuk rangkaian bias. Karena perubahan temperatur akan mempengaruhi β (faktor penguatan arus pada CE) dan arus bocor ICBO.

Rangkaian bias tetap (fix bias) untuk transistor ini cukup sederhana karena hanya terdiri atas dua resistor RB dan RC. Kapasitor C1 dan C2 merupakan kapasitor kopling yang berfungsi mengisolasi tegangan dc dari transistor ke tingkat sebelum dan sesudahnya, namun tetap menyalurkan sinyal ac-nya. Rangkaian dasar untuk memberikan fix bias pada transistor dapat dilihat pada gambar berikut.

Rangkaian Dasar Fix Bias Pada Transistor

Fungsi kapasitos C1 dan C2 adalah kopling input dan output seperti dijelaskan diatas, sehingga untuk analisa DC rangkaian fix bias transistor menjadi seperti berikut.

Rangkaian Analisa DC Fix Bias Transistor

Dari gambar rangkaian DC diatas dapat dirumuskan nilai arus basis IB sebagai berikut :

Dari nilai IB tersebut maka dapat diketahui nilai IC

Karena VCC dan VBE tetap, maka RB adalah penentu arus basis pada titik kerja transistor dengan tegangan bias tetap seperti rangkaian diatas.

Nilai IB, IC dan VCE inilah yang menentukan titik kerja transistor. Oleh karena itu dalam penulisan sering ditambah huruf Q di belakangnya, sebagai IBQ, ICQ dan VCEQ. Harga ICQ dan VCEQ merupakan koordinat dari titik kerja transistor (Q) pada kurva karakteristik output CE. Titik kerja Q dalam kurva karakteristik selalu terletak pada garis beban. Hal ini karena harga VCEQ diperoleh dari persamaan garis beban VCE diatas. Untuk menggambar garis beban pada kurva, ditentukan dua titik yang berpotongan dengan masing-masing sumbu x (VCE) dan sumbu y (IC).

Garis beban akan memotong sumbu x (VCE), apabila arus IC adalah nol. Dalam hal ini transistor dalam keadaan mati (IC = 0), sehingga tegangan VCE adalah maksimum, yaitu:

Garis beban akan memotong sumbu y (IC), apabila tegangan VCE adalah nol. Dalam hal ini transistor dalam keadaan jenuh (VCE = 0), sehingga arus IC adalah maksimum, yaitu:

Apabila kedua titik ekstrem (VCEmaks dan ICmaks) ini dihubungkan maka diperoleh garis beban dimana titik Q berada. Garis beban ini disebut dengan garis beban dc, karena hanya berkaitan dengan parameter dc dari rangkaian. dari persamaan-persamaan diatas dapat dibentuk kurva garis beban sebgai berikut.

Kurva Garis Beban DC Fix Bias Transistor

GARIS BEBAN DC dan AC TRANSISTOR

Titik kerja suatu transistor dalam rangkaian penguat selalu terletak pada garis beban. Garis beban dc dibuat berdasarkan tanggapan rangkaian terhadap tegangan dc (tegangan catu daya), dan garis beban ac diperoleh karena tanggapan rangkaian terhadap sinyal ac. Dengan adanya garis beban dc dan ac pada kurva karakteristik, maka kondisi kerja transistor dapat diketahui dan penerapan sinyal ac pada penguat dapat dianalisis dengan mudah. Sebagai contoh rangkaian penguat Emitor Bersama (Common Emittor = CE) dengan bias pembagi tegangan pada gambar berikut.

Rangkaian Penguat Common Emitor Dengan Self Bias

Tanggapan rangkaian penguat 1 tingkat Common Emittor tersebut terhadap tegangan dc lebih sederhana karena semua kapasitor diganti dengan rangkaian terbuka. Beban pada loop kolektor-emitor adalah RC dan RE. Oleh karena itu beban ini disebut dengan beban dc (Rdc).

Sedangkan tanggapan terhadap sinyal ac, semua kapasitor (C kopling dan C by-pass) dan catu daya dc (VCC) dianggap hubung singkat. Dengan demikian karena terminal untuk VCC terhubung ke tanah (ground) dan kapasitor C2 dianggap hubung singkat, maka resistor RC dan resistor RL terhubung paralel (RC║RL). Beban pada loop kolektor-emitor adalah resistor RC║RL dan resistor RE. Beban ini disebut dengan beban ac (Rac).

Untuk mendapatkan garis beban dc beban yang digunakan adalah beban dc (Rdc). Kemiringan garis beban dc adalah -1/Rdc. Demikian pula bila ingin mendapatkan garis beban ac, maka yang digunakan adalah beban ac (Rac). Kemiringan garis beban ac adalah -1/Rac. Persamaan garis beban dc untuk rangkaian CE dari rangkaian penguat diatas adalah:

Untuk menggambarkan persamaan garis beban ini kedalam kurva karakteristik output, maka perlu dicari dua titik ekstrem dan menghubungkan keduanya. Dua titik ini adalah satu titik berada di sumbu X (tegangan VCE) yang berarti arus ICnya menjadi nol dan satu titik

lainnya berada di sumbu Y (arus IC) yang berarti bahwa tegangan VCEnya menjadi nol.

Titik pertama, pada saat arus IC = 0, maka diperoleh tegangan VCE maskimum (transistor dalam keadaan mati). Dengan memasukkan harga IC = 0 ini ke persamaan garis beban dc diperoleh:

Titik kedua , pada saat tegangan VCE = 0, maka diperoleh arus IC maksimum (transistor dalam keadaan jenuh). Dengan memasukkan harga VCE = 0 ini ke persamaan garis beban dc diperoleh:

Selanjutnya adalah menentukan garis beban ac. Oleh karena titik nol (titik awal) dari sinyal ac yang diumpankan ke penguat selalu berada pada titik kerja (titik Q), maka garis beban ac selalu berpotongan dengan garis beban dc pada titik Q tersebut. Dengan demikian cara yang paling mudah untuk mendapatkan garis beban ac adalah dengan memasukkan harga ac dari arus IC dan tegangan VCE kedalam persamaan garis beban dc.

Harga ac dari besaran arus dalam hal ini adalah IC dapat dilihat pada gambar berikut. Dengan cara yang sama dapat diperoleh harga besaran tegangan VCE.

Nilai arus kolektor (ic) :

Nilai tegangan kolektor – emitor (vce) :

Karena C2 dan VCC dianggap hubung singkat (VCC = 0), maka rangkaian ekivalen ac dari gambar penguat common-emitor diatas adalah seperti pada gambar berikut :

Dan persamaan umum garis beban ac, yaitu:

Dimana Rac adalah :

Apabila besaran arus dan tegangan ac dimasukkan pada persamaan tersebut, maka diperoleh persamaan garis beban ac:

Cara menggambar garis beban ac adalah seperti halnya menggambar garis beban dc, yakni dengan melalui dua titik ekstrem.

Titik pertama, pada saat iC = 0, maka diperoleh harga vCE maksimum. Dengan memasukkan harga iC = 0 ini kedalam persamaan garis beban ac diperoleh:

Titik kedua , pada saat vCE = 0, maka diperoleh harga iC maksimum. Dengan memasukkan harga vCE = 0 ini kedalam persamaan garis beban ac diperoleh:

Sehingga garis beban dc dan ac diperoleh dan dapat digambarkan pada kurva karakteristik output penguat common-emitor (CE) seperti pada gambar berikut.

TITIK CUT OFF TRANSISTOR

Titik cut-off transistor adalah titik dimana transistor tidak menghantarkan arus dari kolektro ke emitor, atau titik dimana transistor dalam keadaan menyumbat. Pada titik ini tidak ada arus yang mengalir dari kolektor ke emitor. Titik Cutoff didefinisikan juga sebagai keadaan dimana IE = 0 dan IC = ICO, dan diketahui bahwa bias mundur VBE.sat = 0,1 V (0 V) akan membuat transistor germanium (silikon) memasuki daerah cutoff. Titik cut-off transistor ini dapat dianalogikan sebagai saklar dalam kondisi terbuka (Off) sebagai berikut.

Titik Cut-Off Transistor Adalah Transistor Dalam Kondisi Off (Saklar Terbuka)

Titik cut-off transistor terjadi pada saat transistor tidak mendapat bias pada basis, sehingga transistor tidak konduk atau mengalirkan arus dari kolektor ke emitor. Titik cut-off transistor ini memiliki VCE yang maksimum yaitu mendekati VCC seperti ditunjunkan pada grafik titik cut-off pada garis beban transistor berikut.

Grafik Titik Cut-Off Pada Garis Beban Transistor

Short-Circuited Base Andaikan bahwa basis dihubungkan langsung ke emitor sehingga VE = VBE = 0. Maka, IC ≡ ICES tidak akan naik melebihi nilai arus cutoff ICO.

Open-Circuited Base Jika basis dibiarkan “mengambang” (tidak dihubungkan ke manapun) sehingga IB = 0, didapatkan bahwa IC ≡ ICEO. Pada arus rendah α ≈ 0,9 (0) untuk germanium (silikon), dan dengan demikian IC ≈10 ICO(ICO) untuk Ge (Si). Nilai VBE untuk kondisi open-base ini (IC = -IE) adalah sepersepuluhan milivolt berupa bias maju.

Cutin Voltage

Karakteristik volt-amper antara basis dan emitor pada tegangan kolektor-emitor konstan tidak serupa dengan karakteristirk volt-amper junction dioda sederhana. Jika junction emitor mendapat bias mundur, arus basis menjadi sangat kecil, dalam orde nanoamper atau mikroamper, masing-masing untuk silikon dan germanium. Jika junction emitor diberi bias maju, seperti pada dioda sederhana, tidak terdapat arus basis hingga junction emitor mendapat bias maju sebesar |VBE| > |Vγ|, dengan Vγ adalah tegangan cutin (cutin voltage). Karena arus kolektor secara nominal proportional terhadap arus basis, maka pada kolektorpun tidak terdapat arus, hingga terdapat arus pada basis. Oleh karena itu, plot arus kolektor terhadap tegangan basis-emitor akan memperlihatkan tegangan cutin, seperti halnya pada dioda.

DAERAH SATURASI TRANSISTOR

Titik saturasi transistor adalah daerah kerja transistor dimana arus kolektor mencapai nilai maksimum, yaitu arus kolektor ditentukan oleh nilai Vcc dan Rc karena nilai resistansi kolektor – emitor transistor kondisi minimum (≈ 0) sehingga diabaikan. Besarnya arus kolektor pada kondisi saturasi adalah :

Untuk mendapatkan kondisi saturasi pada transistor maka arus basis harus besar yaitu :

Dalam keadaan saturasi, arus kolektor secara nominal adalah Vcc/Rc, dan karena Rc adalah beban yang bernilai kecil, maka Vcc perlu dijaga agar tetap rendah supaya transistor tetap beroperasi dalam batasan arus maksimum dan disipasi daya minimum. Titik saturasi dalam grafik daerah kerja transistor dapat dilihat pada grafik berikut.

Grafik Titik Saturasi Pada Daerah Kerja Transistor

Grafik Titik Saturasi Pada Garis Beban Transistor

Resistansi Saturasi Untuk transistor yang beroperasi di daerah saturasi, parameter yang menarik adalah rasio VCE.sat/IC. Parameter ini dinamakan resistansi saturasi common-emitter. Sering juga disimbolkan dengan RCS, RCES, atau RCE.sat. Untuk menentukan RCS, kita harus menentukan titik mana yang digunakan.

Resistansi base-spreading rbb’ Ingat kembal lebar daerah basis yang sangat kecil, dimana arus yang memasuki basis melalui junction emitor harus mengalir melalui jalur sempit untuk mencapai terminal basis. Penampang aliran arus di dalam kolektor (atau emitor) jauh lebih besar dari yang ada di basis. Dengan demikian, biasanya resistansi ohmik basis jauh lebih besar dari resistansi ohmik kolektor atau emitor. Resistansi basis ohmik dc yang disimbolkan dengan rbb’, dinamakan resistansi base-spreading, yang memiliki nilai sekitar 100 Ω. Koefisien temperatur tegangan saturasi Karena kedua junction mendapat bias maju, maka nilai yang layak untuk V-BE.sat atau VBC.sat adalah –,5 mV/°C. Dalam daerah saturasi, transistor berisi dua dioda terbias maju yang saling berhadapan. Jadi, pengaruh terhadap tegangan terinduksi-suhu yang ditimbulkan satu dioda pada dioda lain perlu diantisipasi.

Gain arus DC, hfe Satu parameter transistor yang penting adalah IC/IB, dengan IC adalah arus kolektor dan IB adalah arus basis. Besaran ini disimbolkan dengan βdc atau hfe, yang dikenal sebagai (nilai negatif dari) dc beta, rasio transfer arus maju (dc forward current transfer ratio), atau gain arus dc (dc current gain). Di dalam daerah saturasi, parameter hfe sangat penting, dan merupakan salah satu parameter yang tercantum pada lembaran data transistor, jika menyangkut switching transistor. Kita tahu |IC|, yang pendekatan nilainya diperoleh dari VCC/RL, dan hfe memberitahu kita nilai arus minimum (IC/hfe) yang diperlukan untuk membuat transistor saturasi.

Tegangan Saturasi Pabrik transistor menentukan nilai saturasi tegangan input dan output dengan beberapa cara. Sebagai contoh, mereka dapat menentukan nilai RCS untuk beberapa nilai IB atau mereka membuat kurva VCE.sat dan VBE.sat sebagai fungsi IB dan IC. Tegangan saturasi bergantung tidak hanya pada titik operasi, tetapi juga pada bahan semikonduktor (germanium atau silikon) dan jenis konstruksi transistor. Nilai tegangan saturasi umum untuk transistor Silikon (Si) adalah 0,2 volt dan nilai tegangan saturasi untuk transistor Germanium (Ge) adalah 0,1 volt.