Transistor Sebagai Saklar Dan Penguat Arus [PDF]

Citation preview

TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR DAN PENGUAT ARUS Diajukan untuk memenuhi tugas dari mata kuliah dasar umum Elektornika Dasar



Di susun Oleh :



Ranaldhi Nur F



1903905



PROGRAM STUDI PENDIDIKAN TEKNIK MESIN FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN UNIVERSITAS PENDIDIKAN INDONESIA 2019



A . PENGERTIAN TRANSISTOR



Pengertian Transistor adalah komponen elektronika terbuat dari alat semikonduktor yang banyak di pakai sebagai penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal dan masih banyak lagi fungsi lainnya. Pengertian Transistor pada alat semikonduktor mempunyai 3 elektroda (triode), yaitu dasar (basis), pengumpul (kolektor) dan pemancar (emitor). Pada dasarnya transistor juga memiliki banyak kegunaan, salah satunya adalah berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET) memungkinkan mengalirkan arus listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya. Tegangan yang memiliki satu terminal contohnya adalah Emitor yang dapat di pakai untuk mengatur arus dan tegangan yang lebih besar dari pada input basis. Dalam sebuah rangkaian analog, komponen transistor dapat di gunakan dalam penguat (amplifier). Komponen yang terdapat dalam rangkaian analog antara lain pengeras suara, sumber listrik stabil dan penguat sinyal radio. Jadi pengertian transistor dapat di bilang sebagai pemindahan atau peralihan bahan setengah penghantar menjadi penghantar pada suhu tertentu. Pengertian transistor merupakan komponen yang sangat penting dan di perlukan untuk sebuah rangkaian elektronika. Tegangan yang terdapat pada transistor merupakan tegangan satu terminal, misalnya emitor yang dapat di pakai untuk mengatur arus dan tegangan inputnya, memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya. Cara kerja transistor hampir mirip dengan cara kerja resistor, yang juga memiliki tipe tipe dasar yang modern. Pada saat ini ada 2 tipe dasar transistor modern, yaitu tipe Bipolar Junction Transistor (BJT) dan tipe Field Effect Transistor (FET) yang memiliki cara kerja berbeda beda tergantung dari kedua jenis tersebut.



B . PENGERTIAN TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR



Transistor Sebagai Saklar maksudnya adalah penggunaan transistor pada salah satu kondisi yaitu saturasi dan cut off. Pengertiannya adalah jika ada sebuah transistor berada dalam keadaan saturasi maka transistor tersebut akan seperti saklar tertutup antara colector dan emiter, sedangkan apabila transistor dalam keadaan cut off transistor tersebut akan berlaku seperti saklar terbuka. Pengertian dari Cut off adalah kondisi transistor di mana arus basis sama dengan nol, arus output pada colector sama dengan nol, sedangkan tegangan pada colector maksimal atau sama dengan tegangan supply. Saturasi adalah kondisi di mana transistor dalam keadaan arus basis adalah maksimal, arus colector adalah maksimal dan tegangan yang di hasilkan colector-emitor adalah minimal. Apabila terdapat rangkaian transistor sebagai saklar banyak menggunakan jenis transistor NPN, maka ketika basis di beri tegangan tertentu. Transistor akan berada dalam kondisi ON, sedangkan besar tegangan pada basis tergantung dari spesifikasi transistor itu sendiri. Dengan cara mengatur bias sebuah transistor menjadi jenuh, maka seolah akan di dapat hubungan singkat antara kaki colector dan emitor. Terminal basis akan dengan cepat mengontrol arus yang mengalir dari colector menuju emitor. Arus yang di hasilkan dari tegangan input akan menyebabkan transistor saturasi menjadi saklar tertutup, akibat dari kejadian ini arus akan mengalir dari colector ke emitor. Pada saat kondisi tegangan colector emitor mendekati 0 volt. Sebaliknya jika tegangan transistor sebagai saklar tidak di berikan arus tegangan, maka transistor akan berada dalam kondisi Cut off dan terminal colector emitor terputus seolah sakalar menjadi terbuka. Akibat dari pemutusan ini arus tidak akan mengalir dari colector menuju emitor. Dalam kondisi ini tegangan yang di hasilkan akan maksimal. Kalau misalkan transistor di pakai hanya pada dua titik, yaitu titik putus dan titik saturasi, maka transistor akan di pakai sebagai saklar. Daya yang di serap oleh dua titik ini sangat kecil, tetapi dalam keadaan aktif daya yang di serap transistor akan lebih besar. Sebab pemakaian yang mana menggunakan arus lebih besar harus di upayakan agar daerah yang di lewati aktif, sehingga transistor tidak menjadi terlalu panas.



Gambar 2.1. Rangkaian Transistor Sebagai Saklar Salah satu fungsi dari rangkaian transistor emitor bersama adalah sebagai saklar seperti pada gambar 2.1, yang bekerja pada dua daerah kerja yaitu daerah jenuh (saturasi) dan daerah mati (cut-off), grafik terlihat pada gambar 2.2.



Gambar 2.2. Kurva Karakteristik Luaran Transistor Jika = 0, maka I



= 0 dan I = 0, pada kondisi ini transistor pada kondisi tidak



menghantarkan arus I atau dengan kata lain kondisi saklar terbuka (OFF). Analogi transistor ketika OFF seperti pada gambar 2.3 berikut.



Analog dengan



Gambar 2.3. Analogi Transistor OFF



Daerah yang diarsir biru adalah daerah cut-off. Pada saat cut-off kondisi transistor adalah arus output pada kolektor mendekati dengan nol, tegangan pada kolektor maksimum atau sama dengan tengangan sumber dan arus basis mendekati nol. C. PENGERTIAN TRASISTOR SEBAGAI PENGUAT ARUS 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 Emiter (E)



n



p



E



n



C



Kolektor (C)



basis (B)



B



Gambar 1. Transistor NPN



E Emiter (E)



p



n



p



C



Kolektor (C)



Basis (B)



B



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. E



C



n



p



n B



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 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 IE



IC



n



p



IE



IC



n



p



IB



n



p IB



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: 𝛼𝑑𝑐 =



𝐼𝐶 𝐼𝐸



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 =



𝐼𝐶 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. Mekanisme penguatan transistor Gambar 10 menunjukkan transistor NPN dengan dua sumber tegangan dan resistansi beban R L. 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 𝑒 |𝑉𝐸𝐵 | dan pencatuan balik hubungan kolektorbasis menaikkan energi halangan lewat hubungan tersebut sebesar 𝑒 |𝑉𝐶𝐵 |. 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: 𝑉𝑖𝑛 = 𝑖𝑒 𝑟𝑖𝑛 di mana rin adalah resistansi dinamis dari hubungan emiter-basis. Jika ic adalah komponen AC dari arus kolektor dan V0 adalah tegangan keluaran bolakbalik lewat RL, maka: 𝑉0 = −𝑖𝑒 𝑅𝐿 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: 𝑉0 𝑖𝑐 𝑅𝐿 𝐴𝑉 = = − 𝑉𝑖𝑛 𝑖𝑒 𝑟𝑖𝑛 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: 𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟𝑎𝑛 𝐴𝐶 𝑖𝑐2 𝑅𝐿 𝐴𝑝 = = 2 = 𝐴𝐼 𝐴𝑉 𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 𝐴𝐶 𝑖𝑒 𝑟𝑖𝑛 E



C



IE



IC



VEE VEB



VCB



V0



IB



RL B



VCC



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



Energi



n



p



CVB



n



Gambar 11. Perubahan energi dari transistor tanpa catu



p



eVB – e |VEB| n



eVB



Energi



Gambar 12. Perubahan energi jika transistor dicatu



pppppppppppp



n



eVB



eVB + e |VCB|