MODUL 02 KARAKTERISTIK BJT

Hafizh Al Fikry (18014044) Asisten: Rendy Wandarosanza/13212075

Tanggal Percobaan: 25 Februari 2016 EL2205-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Pada percobaan kali ini, dilakukan percobaan untuk menentukan karakteristik BJT atau bipolar junction transistor. Percobaan pertama adalah menentukan karakteristik input transistor IB – VBE. Kemudian dilakukan percobaan untuk menentukan karakteristik ouput transistor IC – VCE. Percobaan selanjutnya adalah percobaan untuk menentukan early effect dari transistor. Percobaan yang terakhir adalah percobaan untuk menentukan pengaruh bias pada penguat transistor.

Kata kunci: transistor, BJT, bias, penguat.

1. PENDAHULUAN

Pada barang-barang elektronik, peranan transistor sangatlah penting, karena banyaknya manfaat yang dapat diperoleh dari transistor, yaitu sebagai penguat, switching, stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal.

Setelah melakukan percobaan, diharapkan mahasiswa dapat:

a. memahami karakteristik transistor BJT

b. memahami teknik bias dengan rangkaian diskrit

c. memahami teknik bias dengan sumber arus konstan

2. STUDI PUSTAKA

2.1 BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR)

BJT atau transistor bipolar, terdiri atas dua jenis, bergantung pada susunan bahan yang digunakan, yaitu PNP dan NPN. Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditunjukkan oleh gambar:

Gambar 2.1 Transistor BJT NPN

Gambar 2.2 Transistor BJT PNP

Persamaan matematis pada transistor:

𝛽 =𝐼𝐶𝐼𝐵

𝛼 =𝐼𝐶𝐼𝐸

sehingga,

𝛼 =𝛽

𝛽 + 1

𝛽 =𝛼

1 − 𝛼

dengan IC merupakan arus kolektor, lalu IB merupakan arus basis, arus emitor IE, kemudian α merupakan penguatan arus DC untuk common basis, dan β merupakan penguatan arus DC untuk common emitter.

2.2 EFEK EARLY

Pada daerah aktif, pada kenyataannya arus naik dengan kenaikan tegangan kolektor-emitor.

Gambar 2.3 Kurva Tegangan Early

Perhitungan untuk mencari tegangan Early digunakan rumus sebagai berikut:

𝑉𝐴 =𝑉𝐶𝐸2𝐼𝐶1 − 𝑉𝐶𝐸1𝐼𝐶2

𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶1

Persamaan 2.1 Tegangan Early

3. METODOLOGI

3.1 ALAT DAN KOMPONEN YANG DIGUNAKAN

a. Sumber Tegangan DC

b. Kit Praktikum Karakteristik Transistor dan Rangkaian Bias

c. Sumber Arus Konstan

d. Osiloskop

e. Multimeter Digital

f. PEAK Atlas DCA Pro

3.2 LANGKAH-LANGKAH PERCOBAAN

a. Diagram 2.1 Karakteristik Input Transistor IC – VBE

Gambar 2.4 Rangkaian Percobaan Karakteristik Input Transistor

b. Diagram 2.2 Karakteristik Output Transistor IC – VCE

1

•Setting generator sinyal diubah sehingga dikeluarkan gelombang segitiga 1 kHz, amplitudo 0.8 V, dan offset positif (nilai minimum sinyal berada di ground).

2

•Rangkaian disusun seperti pada gambar 2.4.

•Probe positif kanal 1 dihubungkan ke titik B, probe positif kanal 2 ke titik C, dan ground ke titik A.

3

•Osiloskop disetting pada mode XY dengan skala X pada nilai 0.1 V/div dengan kopling AC, skala Y pada nilai 1 V/div dengan kopling DC, dan diinvers.

4

•Titik nol X (VBE = 0) diletakkan pada garis grid paling kiri, kemudian titik nol Y (IB = 0) diletakkan pada garis grid kedua dari bawah.

5

•Plot IB (mA) vs VBE (V) digambar di BCL.

c. Diagram 2.3 Early Effect

d. Diagram 2.4 Pengaruh Bias pada Penguat Transistor

1

•Nyalakan Komputer dan sambungkan USB Power Atlas DCA Pro ke komputer

2•Sambungkan kabel Atlas DCA Pro

dengan kaki-kaki transistor BJT

3

•Buka aplikasi DCA Pro yang tersedia di komputer

•Pastikan DCA Pro connected pada pojok kiri bawah layar

4

•Tekan tombol test pada DCA Pro maupun pada jendela Peak DCA Pro

•Perhatikan spesifikasi dan konfigurasi kaki-kaki yang terbaca

5

•Buka tab Graph BJT IC/VCE,Atur pengaturan tracing Vcc 0-10V dengan point 11,IB 25-100µA klik Start dan tunggu proses Tracing

•catat di BCL grafik IC/VCE

6

•Simpan hasil data tabulasi hasil sampling dan copy paste di spreadsheet.Lakukan analisis.

1

•Rangkaian percobaan karakteristik output IC - VCE

digunakan.

•Nilai IB dipilih dari sumber arus yang kemiringan kurvanya cukup besar.

2

•Pada kurva IC - VCE, dipilih dua titik koordinat yang dapat dibaca dan masih dalam garis lurus.

•Nilai IC dan VCE dicatat.

3•Nilai tegangan Early dihitung

dengan persamaan 2.1.

4•Percobaan diulangi dengan nilai

arus basis (IB) berbeda.

Gambar 2.5 Rangkaian Percobaan Pengaruh Bias pada Penguat Transistor

4. HASIL DAN ANALISIS

4.1 Hasil Percobaan Karakteristik Input Transistor

Gambar 2.6 Kurva Karakteristik Input Transistor

Analisis :

Kurva yang diperoleh dari percobaan ini hampir menyerupai kurva yang diperoleh pada percobaan dioda (kurva karakteristik dioda). Dari hal itu, maka dapat dipastikan bahwa kurva karakteristik input transistor (kurva karakteristik IC – VBE) merupakan kurva dari fungsi eksponensial. Hal ini sesuai, mengingat hubungan IC dengan VBE dapat dinyatakan dalam persamaan:

𝐼𝐶 = 𝛼𝐼𝐸𝑆𝑒𝑉𝐵𝐸

𝑛𝑘𝑇⁄

Pada kurva di atas, daerah B-E dalam kondisi forward bias saat VBE berada di tegangan sekitar 0.8 Volt.

4.2 Hasil Percobaan Karakteristik Output Transistor

1

•Setting generator sinyal diubah sehingga dikeluarkan gelombang segitiga 1 kHz, amplitudo 50 mVpp, dan digunakan konektor T pada terminal output.

2

•Rangkaian disusun seperti pada gambar 2.6.

•Kanal 1 dihubungkan ke generator sinyal, probe positif kanal 2 ke titik C, dan ground osiloskop ke titik E.

3

•Osiloskop disetting pada mode waktu dengan skala horizontal 500 µs/div, skala kanal 1 pada nilai 10 mV/div dengan kopling AC, skala Y pada nilai 1 V/div dengan kopling AC.

4

•Multimeter digital digunakan pada mode Volt DC untuk mengukur tegangan dari VCE.

•IB diset pada 25 µA, RC diset minimum (82 Ω).

5

•VCE dicatat, dan bentuk gelombang VCE

digambar, adanya distorsi diamati.

•Dari IB dan VCE terbaca, letak titik kerja kondisi distorsi ditentukan pada plot grafik Ic - VCE dan dijelaskan mengapa terjadi distorsi.

6

•Langkah sebelumnya diulangi untuk nilai IB 200 µA dan 400 µA.

•Nilai RC diubah menjadi nilai maksimum (5 kΩ).

•Langkah sebelumnya diulangi untuk nilai RC ini.

7

•Nilai IB diubah menjadi 150 µA, nilai RC

diatur sehingga VCE yang terbaca sekitar 5 V.

•Bentuk tegangan digambar, kemudian letak titik kerja dari IB dan VCE terbaca ditentukan.

8

•Amplitudo input dinaikkan hingga tampak terjadi distorsi pada VCE.

•Besar amplitudo input dicatat dan bentuk gelombang output digambar.

9

•Amplitudo input dinaikkan lagi, lalu diamati apakah amplitudo gelombang output masih bisa membesar atau tidak, dan catat nilai amplitudo maksimum itu.

Gambar 2.7 Kurva Karakteristik Transistor

Analisis :

Pada gambar 2.9 tersebut, daerah yang berada di sebelah kiri garis putus-putus hitam merupakan daerah saturasi dan nilai VCE pada garis putus-putus tersebut adalah ≈ 0.5 Volt. Pada daerah saturasi, baik simpang BC maupun BE berada pada keadaan forward bias. Kemudian daerah yang berada di antara dua garis putus-putus adalah daerah aktif. Pada daerah aktif ini, simpang BE berada pada keadaan forward bias, sementara simpang BC berada pada keadaan reverse bias. Pada daerah ini pulalah transistor berfungsi sebagai penguat sinyal. Sementara itu, daerah di sebelah kanan garis putus-putus berwarna merah, transistor berada pada keadaan breakdown.

Pada saat IB<100 µA kurva terletak pada daerah cut-off yang digambarkan dengan garis putus-putus hijau pada gambar 2.7. Transistor mulai aktif saat nilai IB = 100 µA. Hal ini terlihat dari kurva pada baris IB yang bernilai 75 µA, terlihat kenaikan kurva pada daerah aktif meskipun sangat kecil kenaikan yang terlihat yang artinya pada nilai VCE tertentu, terdapat arus IC yang mengalir.

4.3 Tabel 1 Hasil Percobaan Tegangan Early

IB=0,2mA IB=0,4mA

IC1=4,25

mA

VCE1=0,

4V

IC1=4,625

mA

VCE1=0,

7V

IC2=4,42

mA

VCE2=0,

5V

IC2=4,75m

A

VCE2=0,

8V

Analisis :

Dengan menggunakan persamaan:

𝑉𝐴 =𝑉𝐶𝐸2𝐼𝐶1 − 𝑉𝐶𝐸1𝐼𝐶2

𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶1

nilai VA pada saat IB = 0.2 mA diperoleh nilai 2,9 Volt. Sementara itu, nilai VA pada saat IB = 0.4 mA diperoleh nilai 3 Volt. Dari kedua hal tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa nilai tegangan Early dari transistor yang digunakan adalah ≈ 3 Volt.

4.4 Hasil Percobaan Pengaruh Tegangan Bias

RC = 84.4 Ω

IB (µA)

VCE

DC (mV)

Kurva VCE (AC) vs t

25 1320

200 654

400 22

Tabel 2 Tabel Kurva Respons VCE pada Transistor dengan Resistansi 84.4 Ω

RC = 4.85 kΩ

IB (µA)

VCE

DC (mV)

Kurva VCE (AC) vs t

25 3200

200 900

400 144

Tabel 3 Tabel Kurva Respons VCE pada Transistor dengan Resistansi 4.85 kΩ

Analisis :

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

I c(m

A)

VCE (V)

IB = 0.2mA

IB = 0.4mA

IB = 0.8mA

IB = 1.2mA

IB = 1.6mA

Pada percobaan ini, pengamatan pada osiloskop dilakukan pada domain AC, sehingga hanya sinyal AC yang terukur pada osiloskop. Sementara itu, untuk tegangan DC dilakukan pengukuran dengan menggunakan multimeter digital.

Pada nilai RC minimum, saat nilai IB berada pada 25 µA, maka vCE = 1,32 V + 0.8 Vpp. Jika nilai vCE ini dimasukkan ke dalam kurva pada analisis sebelumnya, maka diperoleh informasi bahwa transistor bekerja pada fungsi cut off. Hal ini masuk akal mengingat nilai iC yang kecil menyebabkan grafik tegangan AC yang dihasilkan memiliki amplitudo yang kecil.

Kemudian pada IB = 200 mA dan IB = 400 mA, terlihat kurva yang mulus, dalam artian tidak terpotong.Pada nilai ini, transistor bekerja pada daerah aktif, sehingga di dapat nilai amplitudo sinyal VCE AC yang lebih besar daripada nilai sinyal input (transistor bekerja sebagai penguat).

Pada nilai RC maksimum, saat nilai IB = 25 µA, maka vCE = 3.2 V + 6 Vpp. Nilai VCE AC besar diperoleh karena nilai RC maksimum dengan nilai iC sama. Pada gambar terlihat bahwa grafik seolah terlihat terpotong di bawahnya. Hal ini terjadi karena nilai vCE tidak mungkin lebih kecil dari pada nol, karena jika tegangan total ditampilkan dalam layar (tegangan AC + offset tegangan DC) maka kurva selalu berada di atas sumbu X.

Pada saat nilai IB = 200 mA dan IB = 400 mA, nilai tegangan total (vCE) berada pada daerah saturasi yang berarti nilai vCE sangat kecil, karena pada kondisi saturasi, node C-E seolah-olah seperti rangkaian tertutup (resistansinya hampir nol).

Gambar 2.8 Tegangan Output dan Input terhadap Waktu untuk VCE DC = 5 V

Analisis :

Pada gambar terjadi beda fasa sebesar 180O. Tanda negatif pada iCRC inilah yang mengakibatkan terjadinya perbedaan fase 180O. Pada grafik di atas, diperoleh transistor bekerja pada domain aktif, sehingga terjadi penguatan pada gelombang input.

Saat amplitudo input dinaikkan, amplitudo gelombang output juga ikut naik, sampai pada suatu kondisi di mana bagian bawah gelombang output solah seperti terpotong (terjadi distorsi).

Nilai Vinp saat hal ini terjadi adalah 212 mVpp. Distorsi ini dapat terjadi karena amplitudo gelombang output tidak dapat diperbesar melebihi nilai VCCnya, sehingga nilai Voutp maksimum adalah VCCnya. Nilai maksimum amplitudo gelombang output yang diperoleh adalah 8.8 Vpp. Nilai ini sudah tidak dapat lebih besar karena telah mendekati nilai VCCnya yaitu 9 Volt. Pada saat Voutp mencapai nilai maksimumnya maka nilai offset DCnya mendekati 0 V.

5. KESIMPULAN

Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa:

a. Kurva karakteristik IC – VBE pada transistor pada dasarnya sama seperti kurva karateristik pada dioda yaitu membentuk persamaan eksponensial:

𝐼𝐶 = 𝛼𝐼𝐸𝑆𝑒𝑉𝐵𝐸

𝑛𝑘𝑇⁄

Sementara kurva karakteristik IC – VCE pada transistor menyatakan daerah fungsi dari transistor tersebut.

Gambar 2.9 Kurva Karakteristik Output Transistor

Pada daerah di sebelah kiri garis putus-putus hitam, transistor berfungsi di daerah saturasi. Kemudian pada daerah di antara garis putus-putus merupakan daerah aktif yang mana transistor berlaku sebagai penguat sinyal. Pada daerah ini, gambar terlihat lurus, yang artinya penguatan IC terhadap IB tidak dipengaruhi oleh IC. Hal ini bersesuaian dengan rumus yang berlaku yakni 𝛽𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 . Lalu pada daerah di kanan garis putus-putus merah, merupakan daerah breakdown transistor. Sementara pada daerah bergaris putus-putus hijau, transistor berfungsi di daerah cut-off. Berfungsinya transistor pada daerah saturasi dan cut-off bersama-sama membuat transistor dapat berfungsi sebagai switch.

Nilai tegangan Early pada transistor yang digunakan adalah 3 V.

b. Dengan memberikan nilai VCC pada rangkaian diskrit, maka dapat ditentukan daerah kerja

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6

I c(m

A)

VCE (V)

IB = 0.2mA

IB = 0.4mA

IB = 0.8mA

IB = 1.2mA

IB = 1.6mA

transistor dengan mengatur besar kecilnya sinyal input untuk dikomparasikan dengan sinyal outputnya.

c. Dengan memberikan sumber arus konstan pada basis transistor, maka dapat ditentukan daerah kerja transistor dengan mengatur besar kecilnya arus masuk ke basis (IB).

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] Hutabarat, Mervin T., Praktikum Elektronika, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2016.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor, 26 Februari 2016, pukul 20.19.

[3] Adel S. Sedra dan Kennet C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, USA, 1997.