sliIT-012206-13

6.8 Daerah Saturasi (Saturation Region) CE
Di dalam daerah saturasi, junction kolektor (juga junction emitor) mendapat
bias maju (forward biased) minimal sebesar tegangan cutin. Karena tegangan
VBE (atau VBC) pada junction yang terbias maju memiliki nilai sepersepuluhan
volt, VCE = VBE – VBE juga memiliki nilai sepersepuluhan volt pada daerah
saturasi. Jadi, pada gambar 5.10, daerah saturasi lebih dekat ke sumbu
tegangan-nol, dimana seluruh kurva menyatu dan meluncur jatuh dengan
cepat menuju titik pusat. Sebuah garis beban dibuat pada kurva karakteristik
di gambar 5.10 untuk resistansi RL = 500  dan sumber tegangan 10 V.
Terlihat bahwa di daerah saturasi arus kolektor hampir independen terhadap
arus basis, untuk nilai VCC dan RL yang sedang digunakan. Jadi kita bisa
menganggap bahwa momen saturasi terjadi pada lekukan kurva transistor di
gambar 5.10 Saturasi terjadi terhadap suatu garis beban dengan arus basis –
0,17 mA, dan pada titik ini tegangan kolektor menjadi terlalu kecil untuk bisa
di baca pada gambar 5.10. Dalam keadaan saturasi, arus kolektor secara
nominal adalah VCC/RL, dan karena RL kecil, VCC perlu dijaga agar tetap kecil
supaya transistor tetap beroperasi dalam batasan arus maksimum dan
disipasi.
Kita tidak dapat membaca tegangan saturasi kolektor-emitor, VCE.sat secara
presisi dari plot di gambar 5.10. Lebih baik untuk mengacu pada karakteristik
yang diperlihatkan pada gambar 5.14. Dalam karakteristik ini, daerah 0
hingga 0,5 V di gambar 5.10 telah diperlebar, dan digunakan garis beban
yang sama seperti sebelumnya untuk RL = 500 . Terlihat dari gambar 5.10
dan 5.14 bahwa VCE dan IC tidak memberi pengaruh yang berarti terhadap IB
setelah arus basis ini mencapai nilai –0,15 mA. Dengan arus ini, transistor
memasuki daerah saturasi. Untuk IB = -0,15 mA, |VCE|  175 mV. Untuk IB = 0,35 mA, |VCE| drop menjadi |VCE|  100 mV. Nilai IB yang lebih akan semakin
menurunkan nilai |VCE|.
Elektronika 2
1
Irwan Arifin 2005
Resistansi Saturasi
Untuk transistor yang beroperasi di daerah saturasi, parameter yang menarik
adalah rasio VCE.sat/IC. Parameter ini dinamakan resistansi saturasi commonemitter. Sering juga disimbolkan dengan RCS, RCES, atau RCE.sat. Untuk
menentukan RCS, kita harus menentukan titik mana yang digunakan. Sebagai
contoh, dari gambar 5.14 di atas, terlihat bahwa pada IC = -20 mA dan IB = 0,35 mA, RCS  -0,1/(-20 x 10-3) = 5 . Kegunaan dari RCS terlihat dari
kenyataan yang diperlihatkan gambar 5.13, dimana di bagian kiri plot IB
mendekati bentuk garis lurus.
Resistansi base-spreading rbb'.
Ingat kembal lebar daerah basis yang sangat kecil (gambar 5.5), 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 .
Koefisien temperatur tegangan saturasi.
Karena kedua junction mendapat bias maju, maka nilai yang layak untuk VBE.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 dc 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).
Elektronika 2
2
Irwan Arifin 2005
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. Untuk transistor tipe
2N404, variasi hfe terhadap arus kolektor dengan nilai VCE yang rendah
ditunjukkan oleh gambar 5.15 di atas. Transistor komersial biasanya memiliki
hfe dalam kisaran 10 hingga 150 pada arus kolektor sekecil 5 mA dan
sebesar 30 A.
6.9 Nilai-Nilai Tegangan Junction Transistor
Karakteristik yang diplot pada gambar 5.16, berupa arus output IC sebagai
fungsi dari tegangan input VBE untuk transistor germanium npn dan silikon,
memperlihatkan beberapa daerah operasi rangkaian transistor CE. Nilai-nilai
yang ditunjukkan adalah nilai-nilai umum yang diperoleh melalui eksperimen
atau persamaan teoretis. Berikut adalah uraian mengenai rincian informasi
pada kurva transfer gambar 5.16.
Elektronika 2
3
Irwan Arifin 2005
Elektronika 2
4
Irwan Arifin 2005
Cutoff Region
Cutoff didefinisikan 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.
Apa yang akan terjadi jika tegangan bias balik VBE.sat dibuat lebih besar dari
VBE.cutoff ? Jika VE negatif dan jauh lebih besar dari VT, sehingga arus kolektor
turun sedikit di bawah ICO dan arus emitor berbalik, namun nilainya masih
kecil (lebih kecil dari ICO).
Short-Circuited Base
Andaikan bahwa basis dihubungkan langsung ke emitor sehingga VE = VBE =
0. Seperti terlihat pada gambar 5.1.6, 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 seperti pada pers.5.17. Pada
arus rendah   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, seperti ditunjukkan oleh
gambar 5.16.
Cutin Voltage
Karakteristik volt-amper antara basis dan emitor pada tegangan kolektoremitor konstan (gambar 5.11) 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| > |V|, dengan V 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.
Secara prinsip, sebuah transistor berada dalam active region jika tegangan
basis-emitor berada pada sisi bias-maju dari tegangan cutin, yang terjadi
pada tegangan balik 0,1 V untuk germanium dan 0 V untuk silikon. Transistor
akan memasuki active region jika VBE > V.
Kita dapat mengestimasi tegangan cutin V dengan mengasumsikan bahwa
VBE = V, pada saat arus kolektor, katakanlah, mencapai 1 persen dari arus
Elektronika 2
5
Irwan Arifin 2005
maksimum (saturasi) pada rangkaian CE di gambar 5.9. Biasanya V bernilai
0,1 V untuk germanium dan 0,5 V untuk silokon.
Gambar 5.17 menunjukkan plot arus kolektor sebagai fungsi tegangan basisemitor pada tegangan kolektor-emitor konstan, untuk beberapa nilai suhu.
Terlihat bahwa nilai V sekitar 0,5 V pada suhu ruang. Ketergantungan suhu
disebabkan oleh koefisien temperatur dioda junction-emitter. Oleh karena itu,
pergeseran lateral plot terhadap perubahan temperatur dan perubahan V
terhadap perubahan temperatur, mendekati nilai –2,5 mV/C.
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 saturasi umum untuk transistor dapat dilihat pada
tabel.5.1 berikut.
Elektronika 2
6
Irwan Arifin 2005
Tegangan yang ditunjukkan pada tabel di atas dan pada gambar 5.16 adalah
untuk transistor npn. Untuk transistor pnp, tanda-tanda (sign) harus dibalik.
Perhatikan bahwa rentangan total VBE antara cutin dan saturasi bernilai
cukup kecil, yaitu 0,3 V. Tegangan VBE.active ditentukan secara sembarang,
namun dengan memperhatikan batas, dan berada di tengah active region.
Pada beberapa kasus, akan diperoleh nilai yang berbeda dari tabel 5.1,
namun biasanya perbedaannya tidak lebih dari 0,1 V.
Contoh
(a) Rangkatian pada gambar 5.12a dan b dimodifikasi dengan mengubah
resistansi basis dari 200 menjadi 50 K (seperti gambar 5.18 di bawah). Jika
hfe = 100, tentukan apakah transistor silikon berada dalam kondisi saturasi
dan tentukan IB dan IC.
(b) Ulangi soal di atas jika ditambahkan resistansi emitor 2 K.
Jawab :
Asumsikan bahwa transistor berada dalam kondisi saturasi. Dengan
menggunakan nilai VBE.sat dan VCE.sat dari tabel 5.1, diperoleh rangkaian
seperti pada gambar 5.18a. Dengan menggunakan KVL untuk rangkaian
basis, diperoleh
-5 + 50 IB + 0,8 = 0
atau
4,2
 0,084 mA
50
Penggunaan KVL terhadap rangkaian kolektor akan menghasilkan
IB 
-10 + 3 IC + 0,2 = 0
atau
IC 
Elektronika 2
9,8
 3,27 mA
3
7
Irwan Arifin 2005
Arus basis minimum yang diperlukan untuk menjadikan transistor saturasi
adalah
I C 3,27

 0,033 mA
h fe 100
Karena IB = 0,084 > IB.min = 0,033 mA, dapat dipastikan bahwa transistor
berada dalam keadaan saturasi.
( I B ) min 
(b) Jika ditambahkan resistansi emitor 2 K, rangkaian jadi seperti gambar
5.18b. Diasumsikan transistor berada dalam keadaan saturasi. Aplikasi KVL
terhadap rangkaian basis dan kolektor akan menghasilkan :
-5 + 50 IB + 0,8 + 2 (IC + IB) = 0
-10 + 3 IC + 0,2 2 (IC + IB) = 0
Jika kedua persamaan ini diselesaikan untuk IC dan IB, akan diperoleh
IC = 1,95 mA ; IB = 0,0055 mA
Karena (IB)min = IC/hfe = 0,0195 > IB = 0,0055, transistor tidak dalam keadaan
saturasi. Berarti transistor berada dalam active region. Jika perhitungan
dilanjutkan persis seperti yang dilakukan untuk rangkaian di gambar 5.12b
(tapi resistor 200 K diganti 50 K), akan diperoleh
IC = 1,71 mA ; IB = 0,0171 mA = 17 A ; VCB = 0,72 V
Elektronika 2
8
Irwan Arifin 2005
6.10 Gain Arus Common-Emitter
Terdapat tiga definisi berbeda mengenai penguatan arus (current gain) dalam
literatur. Akan dicari kaitan satu definisi dengan definisi yang lain.
Large-signal current gain, 
Kita mendefinisikan  menggunakan  pada pers. 5.15. Dari pers. 5.16,
dengan mengganti ICO dengan ICBO, kita dapatkan

I C  I CBO
I B  ( I CBO )
(5.19)
Pada subbab 5.7, kita mendefinisikan cutoff sebagai suatu kondisi dimana IE
= 0, IC = ICBO, dan IB = -ICBO. Selanjutnya pers. (5.19) menunjukkan rasio
peningkatan arus-kolektor terhadap perubahan arus-basis dari cutoff ke IB,
dan dengan demikian  merepresentasikan (bentuk negatif dari) large-signal
current gain dari transistor common-emitter. Parameter ini sangat penting
dalam kaitannya dengan pembiasan dan stabilitas rangkaian transistor.
DC Current Gain
Pada subbab 5.8 dc-current-gain didefinisikan sebagai
I
 dc  C  hFE
(5.20)
IB
Pada bagian itu ditekankan bahwa hFE sangat berguna dalam penentuan
apakah suatu transistor berada dalam kondisi saturasi atau tidak. Secara
umum, arus basis (begitu juga arus kolektor) cukup besar dibandingkan
dengan ICBO. Dalam kondisi ini, large-signal dan beta dc kurang lebih sama;
sehingga hFE  .
Small Signal Current Gain, hfe
' didefinisikan sebagai rasio kenaikan arus kolektor IC terhadap perubahan
kecil arus basis IB (pada titik operasi tertentu, pada tegangan kolektor-emitor
VCE tetap), atau
I
'  C
 h fe
(5.21)
I B V
CE
' adalah (nilai negatif dari) small signal current gain. Jika  independen
terhadap arus, kita lihat dari pers. 5.20 bahwa  = '  hfe. Namun demikian,
gambar 5.15 menunjukkan bahwa  merupakan fungsi dari arus, dan
diferensiasi persamaan 5.16 terhadap IC (dengan ICO = ICBO) akan
menghasilkan
Elektronika 2
9
Irwan Arifin 2005
1  ( I CBO  I B )
I

 B
I C
I C
(5.22)
Small signal CE gain ' digunakan dalam analisis rangkaian penguat smallsignal dan disimbolkan dengan hfe. Dengan persamaan 5.21 dan ' = hfe dan
 = hFE, pers. 5.22 menjadi
hFE
h fe 
(5.23)
1  ( I CBO  I B )(hFE / I C )
Karena hFE (IC) yang diperlhatkan gambar 5.15 menunjukkan nilai maksimum,
hfe lebih besar dari hFE untuk arus kecil (bagian kiri dari maksimum) dan hfe
lebih kecil dari hFE untuk arus yang besar dari nilai maksimumnya. Pada
sebagian besar rentangan arus pada gambar 5.14, hfe memiliki selisih
terhadap hFE sebesar kurang dari 20%.
Perlu ditekankan bahwa pers.5.23 berlaku hanya pada active region. Dari
gambar 5.14 terlihat bahwa hfe  0 di daerah saturasi karena IC  0 untuk
kenaikan kecil arus IB.
6.11 Konfigurasi Common-Collector
Konfigurasi rangkaian transistor lain, ditunjukkan pada gambar 5.19 di atas,
yang dikenal sebagai konfigurasi common-collector. Pada dasarnya
rangkaian ini sama dengan rangkaian pada gambar 5.9 (CE), tapi dengan
tambahan resistor beban pada emitor dan bukannya pada kolektor. Analisis
terhadap konfigurasi ini sama seperti analisis terhadap konfigurasi commonemitter. Jika arus basis ICO, arus emitor jadi nol, dan tidak ada arus mengalir
pada beban. Jika transistor diubah dari kondisi terbias mundir dengan
meningkatkan arus basis, transistor akan menembus active region dan
memiliki kemungkinan mencapai saturasi. Dalam kondisi ini, seluruh
tegangan, kecuali untuk tegangan jatuh yang sangat kecil pada transistor,
akan sampai pada beban.
Elektronika 2
10
Irwan Arifin 2005