Bipolar Junction Transistor (BJT)

  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 EBJ CBJ Cutoff Reverse Reverse Active Forward Reverse Reverse Active

  Reverse Forward Saturation Forward Forward

  Mode kerja BJT

  

Gambar 3: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja

pada mode forward active.

  Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 4: Simbol rangkaian BJT

  Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif

I i e

  1

  B E B C E E B E C i i i i i i i i i

      

     

        

      

  1 

  1

  1

  T BE T BE T BE V v S C

  E V v S C B

   dengan v EB    

  Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif Catatan: untuk transistor pnp, gantilah v BE

      

      

     

      

     

  I i i

  V v S C e I i i e

  1 Contoh soal 1:

  Gambar 6: Rangkaian untuk contoh soal 1

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

  Jawab:

  V = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktif C V = 5 V → V = 15 – 5 = 10 V C RC I = 2 mA → R = 5 kΩ C C v = 0,7 V pada i = 1 mA → harga v pada i = 2 mA: BE C BE C

  2   V , 7 ln , 717

  V     

  BE

  1   V = 0 V → V = -0,717 V B E β = 100 → α = 100/101 =0,99

  I C

  2 I 2 , 02 mA E    ,

  99 

  Harga R diperoleh dari: E

  V

  15 E    

  R E

  I E Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor

  Gambar 7: Karakteristik i – v dari sebuah transistor npn C BE

  v BE T

  V I e i

  C S Karakteristik i – v identik dengan karakteristik i – v pada dioda. C BE

  Karakteristik i – v dan i – v juga exponensial dengan I yang E BE B BE S berbeda: I /α untuk i dan I /β untuk i . S E S B Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/V , cukup tinggi T (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam.

  Untuk v < 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk BE harga arus normal, v berkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk BE perhitungan awal, v = 0,7 V. BE Untuk transistor pnp, karakteristik i - v tampak identik, hanya v C BE BE diganti dengan v . EB

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

  Karakteristik Common-Emitter

  Gambar 9: Karakteristik common-emitter 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 I arus base I dan tegangan CQ, BQ

  collector – emitter V . Perbandingan arus collector dan arus base CEQ adalah β sinyal besar atau dc.

  I CQ

   dc

  I BQ β juga dikenal sebagai h . dc FE Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan v tetap perubahan i CE B dari I menjadi (I + ∆i ) menghasilkan kenaikan pada i dari I BQ BQ B C CQ menjadi (I + ∆i ) CQ C

  i

  C   ac i

   B vkons tan CE β disebut β ‘incremental’. ac β dan β biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%. ac dc β disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan h . ac fe β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada v konstan, artinya CE

  tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common- emitter 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,v BE

  , akan menyebabkan perubahan pada arus collector, i C .

  • BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi.
  • Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, R C .
  • 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

  Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer

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

  • – Tegangan masukan total v (bias + sinyal) dipasang di antara base dan

  • I emitter (gr
  • – Tegangan keluaran total v O

  (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground)

  • – Resistor R mempunyai 2 fungsi: C • Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector
    • Mengubah arus collector, i , menjadi tegangan keluaran v atau v C
    • OC O

    • – Tegangan catu V diperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk

      CC mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat.

      Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihat pada gambar 10(b). v = v = V – R i O CE CC C C

      v = v < 0,5 V → transistor cutoff. I BE

      0 < v < 0,5 V, i kecil sekali, dan v akan sama dengan tegangan I C O catu V (segmen XY pada kurva) CCv > 0,5 V → transistor mulai aktif, i naik, v turun. I C O

       tinggi, BJT bekerja pada mode aktif yang

    • Nilai awal v O menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada segmen ini:

      v EB T

      V i I e

       C S v I T

      V I e

      S v I T

      V v

      V R I e  

      O CC C S Mode aktif berakhir ketika v = v turun sampai 0,4 V di bawah O CE tegangan base (v atau v ) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki BE I mode jenuh (lihat titik Z pada kurva).

      Pada daerah jenuh kenaikan v menyebabkan v turun sedikit saja. BE CE

      v = V berkisar antara 0,1 – 0,2 V. I juga konstan pada harga: CE CEsat Csat

      V V

      CC CEsat

      I

      Csat R C

      Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah,

      R antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai CEsat

      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 v . BE

      Penguatan Penguat.

      Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah

    aktif yang ditentukan oleh tegangan dc base – emitter V dan tegangan dc

    BE collector – emitter V . Arus collector I pada keadaan ini: CE C

      V BE T

      V I I e

      C S

      V V R

      I  

      CE CC C C

      Jika sinyal v akan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada V dan i BE 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.

      Penguatan sinyal kecil A : v i T V v

      v

      V R I e O CC C S   dv O A vdv I v I BE V

      1 V BE T V A I e R v S C  

      V T

      I R C C RC

      V A v    

      V T T

      V V

      V V RC CC CE  

      Perhatikan:

    • penguat CE: inverting, artinya sinyal keluaran berbeda 180° dengan sinyal masukan.
    • peguatan tegangan dari penguat CE adalah perbandingan antara penurunan tegangan pada R dengan tegangan termal V . C
    • T<
    • untuk memaksimumkan penguatan tegangan, penurunan tegangan pada R harus sebesar mungkin, artinya untuk harga V C
    • CC

      Contoh soal 2

      Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang mempunyai

    • -15

      I = S

      10 A, sebuah resistansi collector R = 6,8 kΩ dan catu daya C V = 10 V. CC a. Tentukan harga tegangan bias V yang diperlukan untuk BE mengoperasikan transistor pada V = 3,2 V. Berapakah harga I CE C nya? b. Carilah penguatan tegangan A pada titik bias. Jika sebuah v sinyal masukan sinusoida dengan amplitudo 5 mV ditumpangkan pada V , carilah amplitudo sinyal keluaran BE sinusoida.

      c. Carilah kenaikan positif v (di atas V ) yang mendorong BE BE transistor ke daerah jenuh, dimana v = 0,3 V. CE

      d. Carilah kenaikan negatif v yang mendorong transistor ke BE daerah 1% cut off (v = 0,99 V ) O CC

      Analisis Grafis Gambar 11 Rangkaian yang akan dianalisa secara grafis

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

      Gambar 12. Konstruksi grafis untuk menentukan arus base pada

      dc

      rangkaian di gambar 11

      Analisis grafis dilakukan sebagai berikut:

      1. Tentukan titik bias dc; set v = 0 dan gunakan cara seperti pada i gambar 12 untuk menentukan arus dc pada base I . B

      2. Gunakan karakteristik i –v seperti yang terlihat pada gambar C CE

      13. Titik kerja akan terletak pada kurva i –v yang mempunyai C CE Gambar 13. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc collector I dan C tegangan collector–emitter V pada rangkaian pada gambar 11 CE v = V – i R CE CC C C

      V CC

      1

      i v C CE   R R C C

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

      Gambar 14 (a). Penentuan grafis komponen sinyal v dan i ketika be b komponen sinyal v ditumpangkan pada tegangan dc V . i BB

      Gambar 14 (b). Penentuan grafis komponen sinyal v dan i ketika ce c komponen sinyal v ditumpangkan pada tegangan dc V . i BB

      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.

      Harga masukan v bervariasi. I

      v &lt; 0,5 V → i = 0, i = 0 dan v = V → simpul C terputus dari I B C C CC ground → saklar dalam keadaan terbuka. v &gt; 0,5 V → transistor ‘on’. Pada kenyataannya agar arus I

      mengalir, v harus sama dengan 0,7 V, dan v harus lebih tinggi BE I Arus base akan menjadi:

      v

      V I BEi BR B

      Dan arus collector menjadi:

      i = βi C B Persamaan ini hanya berlaku untuk daerah aktif artinya CBJ tidak forward bias atau v &gt; v – 0,4 V. C B

      v = V – R i C CC C C

      Jika v naik, i akan naik, dan i akan naik juga, Akibatnya v akan I B C CE turun. Jika v turun sampai v – 0,4V, transistor akan meninggalkan CE B daerah aktif dan memasuki daerah jenuh. Titik ‘edge-of-saturation’ (EOS) ini didefinisikan:

      V ,

      3 CC

      I C ( EOS )

      

      R C

      Dengan asumsi V ≈ 0,7 V dan BE

      I C ( EOS )

      I

      B ( EOS )  Harga v yang diperlukan untuk mendorong transistor ke EOS dapat I ditentukan dengan persamaan:

      V = I R + V I(EOS) B(EOS) B BE

      Menaikkan v &gt; V → menaikkan arus base yang akan I I(EOS) mendorong transistor ke daerah jenuh yang semakin dalam. V CE akan sedikit menurun.

      Asumsikan untuk transistor dalam keadaan jenuh, V ≈ 0,2 V. CEsat Arus collector akan tetap konstan pada I Csat

      V V

      CC CEsat

      I

      Csat R C Memaksakan lebih banyak arus pada base mempunyai pengaruh yang kecil pada I dan V . Pada keadaan ini saklar tertutup CEsat CEsat dengan resistansi R yang rendah dan tegangan offset V CEsat CEsat yang rendah.

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

      I CEsat   forced

      I B

      Perbandingan antara I dan I disebut faktor ‘overdrive’ B B(EOS) Contoh soal 3: Transistor pada gambar 17 mempunyai β berkisar antara 50 – 150.

      Carilah harga R yang menyebabkan transistor pada keadaan B jenuh dengan faktor ‘overdrive’ lebih besar dari 10.

      Gambar 17

      Jawab: Transistor dalam keadaan jenuh, tegangan collector:

      V = V ≈ 0,2 V C CEsat

      Arus collector:

      10 ,

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

      I Csat 9 ,

      8 I , 196 mA B ( EOS )   

      50

       min Untuk faktor ‘overdrive’ = 10, arus base harus:

      I = 10 x 0,196 = 1,96 mA B

      Jadi R yang diperlukan: B

      5 ,

      7   1 ,

      96  R B

      4 ,

      3 R 2 , 2 k B    1 ,

      94 Contoh soal 4: Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100