11 tegangan panjar transistor

11
TEGANGAN PANJAR
TRANSISTOR
11.1 Pentingnya Tegangan Panjar
Pada bab sebelumnya kita telah melihat bahwa arus kolektor iC dapat dikontrol oleh
arus basis i B yang relatif kecil atau dengan mengubah sedikit tegangan basis-emitor
v BE .
Karenanya, transistor mempunyai kemungkinan untuk digunakan sebagai
penguatan arus, tegangan atau daya dari suatu masukan. Namun perlu diperhatikan
bahwa bentuk keluaran harus sama dengan bentuk isyarat masukan. Syarat ini tidak
mudah untuk dipenuhi.
Kenyataan di atas adalah benar walaupun masukan hanya berupa isyarat yang
sangat sederhana misalnya berupa fungsi sinus yang berosilasi secara sama di atas dan
di bawah harga 0 volt. Sebagai ilustrasi diperlihatkan pada gambar 11.1-a, yaitu dengan
mengenakan isyarat tersebut pada masukan transistor.
Sayangnya, sampai dengan
masukan berharga + 0,6 volt, arus kolektor masih relatif kecil. Saat masukan telah
melebihi harga tegangan ini, arus kolektor membesar dengan cepat, naik sebesar e =
2,718 kali setiap ada kenaikan 25 mV kenaikan masukan (ingant pers. eksponensial).
Besarnya arus agar masukan berada sedikit di atas tingkat kritis diperlihatkan
pada gambar 11.1-b. Besarnya tegangan keluaran diberikan oleh
v CE = VCC − iC R L
(11.1)
Ini ditunjukkan pada gambar 11.1-c, bahwa keluaran identik dengan masukan.
Tegangan Panjar Transistor 113
Gambar 11.1 Rangkaian transistor: a) Isyarat masukan diberikan, b) Bentuk isyarat
arus keluaran dan c) Isyarat keluaran.
Gambar 11.2 Karakteristik keluaran transistor
Kita kembali pada tipe karakteristik keluaran transistor seperti terlihat pada
gambar 11.2, dimana kita telah mengikutkan nilai v BE untuk setiap kurva karakteristik.
Dari kurva-kurva yang didapat terlihat bahwa seharusnya transistor diberi panjar ( v BE )
sebesar 637 mV. Dengan demikian untuk masukan yang berosilasi ± 10 mV akan
memberikan perubahan arus kolektor yang cukup besar.
114 ELEKTRONIKA DASAR
#
"
$
&
%
%
'
!
Gambar 11.3 Rangkaian transistor dengan memperlihatkan v BE .
Rangkaian yang lebih jelas diperlihatkan pada gambar 11.3.
Sayangnya,
rangkaian ini sangat tidak praktis dengan alasan:
i)
Masukan mungkin mempunyai terminal yang dihubungakan ke 0 volt.
ii)
Agak sulit untuk memdapatkan tegangan panjar dekat dengan harga 637 mV.
iii)
Suatu harga V BE mungkin cocok untuk suatu transistor tetapi mungkin
transistor lain akan memerlukan harga yang sangat berbeda, walaupun dari
jenis dan merk yang sama.
Untuk mengatasi permasalahan di atas dapat dilakukan dengan memberikan
pemecahan melalui dua tahap:
i)
Rencanakan suatu rangkaian DC yang dapat mengatur besarnya arus
kolektor untuk isyarat masukan 0 volt.
ii)
Pasang kapasitor yang dapat menghubungkan isyarat masukan; kapasitor ini
tidak akan mengganggu keadaan DC, tetapi dapat melewatkan isyarat AC
dengan baik.
Tegangan Panjar Transistor 115
0
1
5
+
,
-
.
,
/
2
4
3
)
3
*
(
Gambar 11.4 Rangkaian transistor dengan panjar tetap.
11.2. Panjar Tetap
Dengan memperhatikan pentingnya panjar dan persyaratan yang harus dipenuhi, dapat
dibuat rangkaian yang paling sederhana seperti terlihat pada gambar 11.4. Resistor
panjar dilewati arus sebesar
I B = (+ VCC − V BE ) / R panjar
(11.2)
Karena biasanya
VCC > 3 V
v BE ≈ 0,6 V
maka kita dapat membuat pendekatan
I B ≈ VCC / R panjar
(11.3)
dengan demikian I B hampir-hampir tidak tergantung pada jenis transistor.
Isyarat AC praktis tidak mengalami perubahan pada saat dilewatkan kapasitor
(jika kapasitasnya cukup besar). Sebagian arus AC akan hilang pada resistor panjar,
namun sebagian besar digunakan untuk mengubah arus basis di sekitar harga DC I B .
116 ELEKTRONIKA DASAR
Untuk transistor dengan suatu harga β , teknik pemasangan panjar ini sangat
tepat karena mengingat arus kolektor
IC = β IB
(11.4)
dan dapat diatur sesuai yang dikehendaki. Sayangnya transistor yang digunakan dapat
memiliki β yang bervariasi.
11.3 Keadaan Panjar
Sejauh ini perlu dipertanyakan, seberapa besar arus kolektor yang diperlukan?
Jawabannya tergantung pada VCC
dan
RL .
Terdapat berbagai cara untuk
menentukannya, asalkan sejauh ini mereka kita anggap berharga tetap.
Tegangan
keluaran v CE untuk suatu harga arus kolektor I C pada rangkaian gambar 11.4 diberikan
oleh
v CE = VCC − iC R L
iC dan v CE harus memenuhi persamaan
iC = −
1
V
vCE + CC
RL
RL
dimana ini akan berupa garis lurus jika diplot dengan v CE sebagai sumbu-x dan iC
sebagai sumbu-y. Garis lurus ini menghubungkan dua titik, yaitu di titik perpotongan
pada sumbu v CE (dimana iC = 0 ) di v CE = VCC , dan di titik perpotongan pada sumbu iC
(dimana v CE = 0 ) di iC = VCC / R L . Garus lurus ini biasa disebut sebagai “garis beban”.
Sebagai contoh pada gambar 11.2 telah disertakan garis beban dengan parameter
VCC = 10 volt
R L = 10 k
6
Tegangan Panjar Transistor 117
iC , v CC harus memenuhi kondisi yang dituntut transistor, misalnya pada gambar 11.2,
Jika I B sebesar 5 µA maka harga iC , v CC berada pada perpotongan karakteristik
transistor dan di atas garis beban, katakan pada
iC = 0,45 mA
v CE = 5,5 V
Hal yang sama untuk arus basis 5,6 µA akan memberikan titik seperti ditandai pada
gambar 11.2, yaitu
iC = 0,5 mA
v CE = 5 V
Harga di atas merupakan harga DC yang cocok untuk pengoperasian transistor. Titik
ini biasa disebut sebagai titik tenang (quiescent point) Q.
Saat terjadi perubahan i B (atau v BE ), harga iC atau v CE akan naik ke atas atau
turun di bawah garis beban, memperlihatkan adanya perubahan keluaran. Nilai DC arus
dan tegangan yang ditunjukkan oleh titik Q mempunyai beberapa keterbatasan. Pada
gambar 11.5 diperlihatkan karakteristik keluaran beserta garis beban suatu transistor
daya-medium.
Gambar 11.5 Karakteristik keluaran transistor beserta garis beban
118 ELEKTRONIKA DASAR
Jika transistor tidak mengalami kerusakan, terdapat beberapa keterbatasan yang
harus dipenuhi untuk
i)
Arus maksimum, iC
ii)
Tegangan maksimum, v CE
iii)
Daya maksimum, I C × VCE
Jika keluaran mempunyai bentuk sama dengan masukan, kita harus memperhatikan
karakteristik pada daerah pengoperasian ini (kira-kira berada pada titik tengah tengah
garis beban). Kita harus menghindarkan pengoperasian di kedua ujung garis beban
karena:
i)
Pada v CE yang rendah bentuk karakteristik akan berubah secara drastis.
ii)
Pada iC yang rendah akan membuat transistor mati.
Karenanya kita dapat menarik garis beban seperti terlihat pada gambar 11.5,
menghindari persyaratan untuk V, I, P dan panjar penguat seperti telah dituntut di atas.
Kita dapat menandai pengoperasian dengan titik lingkaran seperti terlihat pada gambar,
yaitu dengan menghindari terlalu dekat dengan v CE = 0 atau iC = 0 .
E
A
:
;
<
=
>
<
?
@
D
B
7
8
C
C
9
Gambar 11.6 Rangkaian panjar umpan-balik kolektror
Tegangan Panjar Transistor 119
11.4 Pemasangan Panjar Umpan-Balik Kolektor
Gambar 11.6 memperlihatkan rangkaian untuk memperoleh panjar umpan-balik
kolektor. Jika terjadi kenaikan I C , maka akan terjadi penurunan VCE , sehingga arus
basis akan menjadi
I B = (VCE − v BE ) / R panjar
(11.5)
yang akan melawan kenaikan I C . Rangkaian ini tidak dapat menetapkan I C dengan
baik, tetapi paling tidak dapat menjamin bahwa VCE akan berada pada harga paling
tidak 1 volt- atau kemungkinan lain , arus basis akan sangat kecil dan VCE akan
berharga sangat tinggi, tentu ini suatu yang kontradiksi.
11.5 Pemasangan Panjar Umpan-Balik Emitor
Teknik yang banyak digunakan untuk memberikan panjar dengan umpan-balik
diperlihatkan pada gambar 11.7. Pada rangkaian ini panjar tetap akan memberikan
“arus basis” yang akan selanjutnya akan menentukan besarnya arus emitor. Masukan
harus dipasang kapasitor dengan basis untuk menjaga gangguan kondisi panjar.
\
Q
W
X
P
[
Y
Z
Z
N
M
V
U
O
R
G
H
I
F
J
L
K
S
T
U
Gambar 11.7 Rangkaian panjar umpan-balik emitor
120 ELEKTRONIKA DASAR
i) Arus Basis Diabaikan
Jika arus basis dapat diabaikan kita mempunyai
v B = VCC × R2 / (R1 + R2 )
dan karena V BE ≈ 0,6 V = V B − V E , maka
V E = V B − 0,6
Selanjutnya kita dapat menghitung besarnya arus emitor sebesar
I E ≈ VE / RE
 V × R2

≈  CC
− 0,6  / R E
 R1 + R2

(11.6)
Jika masukan diharapkan mempunyai efek yang maksimum, maka pada emitor
hampir tidak ada tegangan AC- dan hanya ada di basis. Kapasitor C E memastikan
kondisi tersebut, namun kapasitor harus berharga sangat besar. Perhatikan rangkaian
tertutup v i , C , B − E , C E untuk melihat kenapa digunakan C E .
Agar kita dapat mengabaikan harga arus basis pada perhitungan di atas, arus
pada pembagi potensial harus relatif besar. Ini dimungkinkan karena arus emitor tidak
terlalu tergantung pada besarnya β dari transistor, tetapi kita mengharapkan arus AC
masukan terbuang karena harga R1 , R2 terlalu rendah.
ii) Tanpa Mengabaikan Arus Basis
Jika arus basis tidak dapat diabaikan, perhitungan besarnya arus emitor sedikit lebih
panjang.
Langkah pertama adalah dengan menggantikan pembagi potensial pada
gambar 11.7 dengan sebuah rangkaian ekivalen terdiri dari sebuah sumber tegangan V BB
dan sebuah resistor tunggal R B (ingat teorema Thevenin), masing-masing berharga
Tegangan Panjar Transistor 121
V BB = VCC × R2 / (R1 + R2 )
(11.7)
R B = R1 × R2 / (R1 + R2 ) .
(11.8)
Terdapat penurunan tegangan pada R B yaitu I B R B dan pada R E sebesar
I E R E = (β + 1)I B R E
(11.9)
Dengan menggunakan hukum Kirchhoff tentang tegangan, pada rangkaian tertutup yang
melibatkan V BB , R B , V BE , dan R E , diperoleh
V BB = (β + 1) I B R E + V BE + I B R B
sehingga
IB =
V BB − V BE
(β + 1)R E + RB
(11.10)
Kita juga mempunyai persamaan lain sebagai:
I E = (β + 1) I B
VE = I E RE
V B = V E + V BE
IC = β I B
VC = VCC − I C R L
(11.11)
Perhatikan bahwa pada persamaan di atas terdapat VC bukan VCE . Jika pada emitor
terdapat resistor seperti rangkaian ini, maka kita harus memodifikasi garis bebannya.
VCE = VC − V E
I R 2 = VB / R2
I R1 = (VCC − V B ) / R1
122 ELEKTRONIKA DASAR
Perhatikan bahwa kedua arus terakhir di atas adalah sama dengan I B , dan V B ≠ V BB .
Kita mempunyai
IE =
V BB − V BE
R E + R B / (β + 1)
(11.12)
Dua parameter pada persamaan 11.12 yang bervariasi antara transistor satu dengan
lainnya adalah V BE dan β . V BE biasanya berharga sekitar 0,2 V, sehingga pembilang
V BB − V BE sedikit tergantung pada jenis transistor jika
V BB − 0,6 >> 0,2
V BB ≥ 3 V (misalnya)
atau
β biasanya berharga paling tidak = 25, sehingga penyebut pada persamaan 11.12 tidak
tergantung pada jenis transistor jika
R E >> R B / 26
Kita tidak perlu menginagt-ingat persamaan di atas, namun dua langkah yang perlu
diingat adalah:
i)
Gantikan rangkaian pembagi potensial dengan rangkaian yang lebih
sederhana.
ii)
Gunakan analisa rangkaian dengan hukum Kirchhoff tentang tegangan pada
loop basis-emitor.
Metode perhitungan lain adalah dengan menggunakan pendekatan perhitungan
V B1 untuk V B dan mengabaikan arus basis. Dari sini kita dapatkan pendekatan harga
V E , I E dan I B . Selanjutnya didapat pendekatan yang lebih baik untuk V B sebagai
Tegangan Panjar Transistor 123
V B 2 = V B1 − I B R B
Jika digunakan dua pencatu daya, rangkaian di atas dapat disederhanakan seperti terlihat
pada gambar 11.7. Di sini masukan tidak perlu dipasang kapasitor, dan masukan akan
berubah-ubah terhadap tanah (ground).
^
_
j
f
b
k
j
l
c
d
f
e
_
`
a
g
i
i
h
Gambar 11.8 Penyederhanaan rangkaian dengan menggunakan pendekatan
Contoh 1
Pada gambar 11.4 misalnya rangkaian mempunyai
VCC = 10 V
RL = 5 k
]
R panjar = 1 M
]
Hitung nilai panjar jika β berharga
i)
30
ii)
100
iii)
300
124 ELEKTRONIKA DASAR
Jawab
Untuk semua keadaan terdapat V BE ≈ 0,6 V , sehingga
I B = 9,4 V/1 M
= 9,4
i)
m
o
n
IC = β I B
= 0,282 mA
VC = VCC − I C R L
= 10 – 0,282 × 5
= 8,59 V
(nilai yang sedikit terlalu tinggi)
ii) I C = 100 × 9,4
p
q
= 0,94 mA
VC = 10 − 0,94 × 5
= 5,3 V
(panjar yang baik)
iii) I C = 300 × 9,4
p
q
= 2,82 mA
VC = 10 − 2,82 × 5
= -4,1 V
Dengan menggunakan I C = β I B , kita secara
tentu saja nilai ini jelas salah.
implisit berasumsi bahwa transistor berada dalam daerah aktif, asumsi ini salah.
Jelas transistor berada pada tegangan yang sangat rendah, atau berada pada “daerah
jenuh”. Kita dapat menduga
VC ≈ 0,2 V
saat
I C = (10 − 0,2 ) V / 5 k
r
= 1,96 mA
Keadaan panjar ini sangat tidak cocok untuk suatu penguat.
Tegangan Panjar Transistor 125
Contoh 2
Pada gambar 11.6 misalnya rangkaian mempunyai
VCC = 10 V
RL = 5 k
s
R panjar = 470 k
s
Hitung nilai panjar jika β berharga
i)
30
ii)
100
iii)
300
Jawab
Perhatikan bahwa I C (= β I B ) dan I B keduanya mengalir melalui R L . Karenanya kita
mempunyai
I B = (VC − V BE ) / R panjar
VC = VCC − (β + 1) I B R L
= VCC − (β + 1)(VC − V BE ) R L / R panjar
Sebut x = (β + 1)R L / R panjar
VC = VCC − xVC + xV BE
=
VCC + xV BE
1+ x
i) Untuk β = 30
x = 31 × 5 / 470
= 0,333
VC =
10 + 0,33 × 0,6
1,33
= 7,67 V (harga panjar yang tidak terlalu bagus)
(β + 1) I B = (10 − 6,67 )V/5 k
s
I C = 0,45 mA
126 ELEKTRONIKA DASAR
Pada perhitungan panjar di atas kita banyak menggunakan bantuan aljabar. Kita dapat
mencoba menggunakan pendekatan lain dengan memulai dari memasang
VC = 5 V
maka
I B = (5 – 0,6) V/470 kΩ
= 9,36 µA
(β + 1)I B = (VCC
− VC ) / R L
= 5 V/5 kΩ
= 1 mA
sehingga ini dapat dicapai jika
(β + 1) = 1 mA/9,36 µA
= 107
Untuk β = 30 kita harus mempunyai arus basis yang lebih, sehingga kita coba VC yang
lebih tinggi, katakan 7 V. Jadi
I B = (7 – 0,6) V/470 kΩ
= 13,6 µA
I C = 0,6 mA
(β + 1) = 44
( β = 43)
Jelas kita tidak akan mencoba VC yang terlalu tinggi; kita coba 7,5 V.
I B = 14,7 µA
(β + 1)I B
= 0,5 mA
(β + 1) = 34
( β = 33)
Dengan ekstrapolasi dari kedua percobaan kita di atas, selanjutnya kita dapat menduga
V C = 7,5 +
33 − 30
43 − 33
× (7,5 − 7,0)
= 7,65 V
Saat
I B = 15 µA
(β + 1)I B
= 0,47 mA
(β + 1) = 31,3
Tegangan Panjar Transistor 127
hasil ini nampaknya sudah cukup baik, mengingat resistor yang digunakan juga
memiliki toleransi misalnya 5%.
ii) Untuk β = 100
x = 101 × 5 / 470
= 1,074
VC =
10 + 1,074 × 0,6
2,074
= 5,13 V (harga panjar yang bagus)
I C = (100 / 101) × (10 − 5,13) V/5 k
t
= 0,964 mA.
Sebaiknya kita perlu curiga apakah kita tidak melakukan kesalahan perhitungan. Kita
dapat memeriksa dengan menghitung
I B = (5,13 – 0,6) V/470 kΩ
= 9,64 µA
β = 0,964 mA/9,64
u
v
= 100
dan ternyata sudah benar.
iii) Untuk β = 300
x = 301 × 5 / 470
= 3,202
VC =
10 + 3,202 × 0,6
4,202
= 2,84 V
I C = (300 / 301) × (10 − 2,84 ) V/5 k
t
= 1,43 mA.
128 ELEKTRONIKA DASAR
Contoh 3
Pada gambar 11.7 misalnya rangkaian mempunyai
VCC = 12 V
RL = 5 k
w
R E = 1,8 k
w
R1 = 470 k
w
R2 = 120 k
w
Hitung nilai panjar jika β berharga
i)
30
ii)
100
iii)
300
Jawab
Dengan menggunakan persamaan 11.7 dan 11.8 didapat
V BB = 12 × 120 / 590
= 2,44 V
R B = 120 k // 470 k
w
w
= 95,6 kΩ
i) Untuk β = 30
IB =
=
V BB − V BE
(β + 1)R E + R B
(2,44 − 0,6) V
(31 × 1,8 + 95,6) k
= 12,15
x
w
y
IC = β IB
= 30 × 12,15
= 0,36 mA
x
y
VC = VCC − I C R L
= 12 − 0,36 × 5
= 10,18 V (agak terlalu tinggi)
I E = 0,38 mA
Tegangan Panjar Transistor 129
VE = I E RE
= 0,38 × 1,8
= 0,68 V
V B = V E + V BE
= 0,68 + 0,6
= 1,28 V
VCE = VC − V E
= 9,5 V
Perhatikan bahwa V B berada di bawah V BB , keadaan panjar ini akan bekerja lebih baik
jika perbedaan keduanya semakin kecil.
ii) Untuk β = 100
IB =
=
V BB − V BE
(β + 1)R E + R B
(2,44 − 0,6) V
(101 × 1,8 + 95,6) k
|
= 6,63
z
{
IC = β IB
= 100 × 6,63
= 0,663 mA
z
{
VC = VCC − I C R L
= 12 − 0,663 × 5
= 8,68 V (masih agak terlalu tinggi)
I E = 0,670 mA
VE = I E RE
= 1,2 V
V B = V E + V BE
= 1,8 V
130 ELEKTRONIKA DASAR
iii) Untuk β = 300
IB =
=
V BB − V BE
(β + 1)R E + R B
(2,44 − 0,6) V
(301 × 1,8 + 95,6) k
= 2,89
}

~
IC = β IB
= 300 × 2,89
= 0,866 mA
}
~
VC = VCC − I C R L
= 12 − 0,866 × 5
= 7,67 V (panjar ya ng cukup bagus)
I E = 0,869 mA
VE = I E RE
= 1,56 V
V B = V E + V BE
= 2,16 V
Harga ini sedikit di bawah V BB , dan rangkaian panjar cukup cocok untuk transistor
dengan β yang sedemikian tinggi.
Contoh 4
Ulangi contoh 3 untuk R1 , R2 yang diturunkan sepuluh kali lebih rendah, yaitu
R1 = 47 k

R2 = 12 k

Jawab
V BB tidak berubah
R B = 9,56 kΩ
Tegangan Panjar Transistor 131
i) Untuk β = 30
IB =
=
V BB − V BE
(β + 1)R E + R B
(2,44 − 0,6) V
(31 × 1,8 + 9,56) k
‚
= 28,2
€

IC = β IB
= 30 × 28,2
= 0,845 mA
€

VC = VCC − I C R L
= 12 − 0,845 × 5
= 7,78 V
I E = 0,873 mA
VE = I E RE
= 1,57 V
V B = V E + V BE
= 2,17 V
Harga ini tidak terlalu jauh dari harga V BB , sehingga kondisi panjar di atas cukup bagus.
Ini akibat kita menaikkan arus pada pembagi tegangan dan arus basis. Perhitungan
untuk kondisi ii) dan iii) dapat diteruskan, secara cepat ambil pendekatan dengan
mengabaikan arus basis.
Contoh 5
Pada gambar 11.8 misalnya rangkaian mempunyai
VCC = V EE = 15 V
R L = 100 k
‚
R E = 220 k
‚
Hitung nilai panjar rangkaian.
Jawab
Secara sederhana kita mempunyai
V BB = 0 V
V E = −0,6 V
132 ELEKTRONIKA DASAR
I E = (− 0,6 − −15) V / 220 k
…
= 65,5
ƒ
„
Karena secara efektif kita mempunyai R B = 0 , β tidak diperlukan lagi. Kita dapat
mengabaikan I B untuk menghitung
IC ≈ IE
= 65,5
ƒ
„
VC = 15 V − 65,5
ƒ
„
× 100 k
…
= 8,45 V
dan VCC = VC − V E = 9,05 V
Tegangan Panjar Transistor 133