Hal

aman

1

KARAKTERISTIK BJT

Praktikan: Nicholas Melky S Sianipar (13206010) Asisten: Deden

Waktu Percobaan: 17 Maret 2009EL2140 – Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik ElektroSekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB

Abstrak

Pada praktikum ini praktikan mencoba kit praktikum yang berisi rangkaian percobaan karakteristik BJT yaitu transistor beserta resistor-resistor variabelnya. Dengan menggunakan 3 buah multimeter, praktikan dapat memahami dan mengamati karakteristik transistor yaitu tegangan dan arus diantara diketiga kakinya. Dengan mengubah-ubah kondisi rangkaian, seperti resistansi yang akan mengakibatkan perubahan tegangan, maka praktikan dapat memproyeksikan data-data tersebut pada kurva yang dapat menghasilkan beberapa kesimpulan. Namun juga, praktikan mencoba rangkaian-rangkaian lainnya seperti rangkaian percobaan early effect dan pengaruh bias pada kerja transistor. Dan dari hasil pengamatan tersebut, praktikan dapat mengamati bagaimana hasil output rangkaian pada bermacam-macam mode kerja transistor.

1. Pendahuluan

Pada Praktikum Elektronika EL2140 yang kedua ini, bertujuan agar praktikan dapat melakukan percobaan dan pengamatan secara langsung mengenai komponen elektrik, yaitu transistor. Jenis transistor yang digunakan pada praktikum adalah Bipolar Junction Transistor / BJT yang bertipe 2N2222. Dan karakteristik yang diukur praktikum ini adalah IB, IC, VBE, dan VCE dari transistor. Dari data-data pecobaan praktikan akan mencoba memamahai keterkaitan antara kondisi karakteristik arus-tegangan tersebut. Untuk tegangan yang digunakan adalah VCC

sebesar 10V dari power supply. Dan untuk percobaan memahami teknik bias dengan sumber arus konstan, digunakan sumber arus/ current source yang telah tersedia. Sedangkan untuk pengaruh bias pada berbagai mode kerja transistor, Vin adalah sebesar 50 Vpp dengan frekuensi 1KHz. Dengan berbagai rangkaian tersebut, diharapkan praktikan dapat memahami karakteristik BJT dan aplikasinya.

2. Dasar Teori

2.1 Transistor BJTTransistor merupakan salah satu komponen elektronika paling penting.

Terdapat dua jenis transistor berdasarkan jenis muatan penghantar listriknya, yaitu bipolar dan unipolar. Dalam hal ini akan kita pelajari transistor bipolar. Transistor bipolar terdiri atas dua jenis, bergantung susunan bahan yang digunakan, yaitu jenis NPN dan PNP. Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditujukkan oleh gambar berikut ini.

Transistor BJT NPN

Transistor BJT PNPGambar 2.1-1 Simbol Hubungan pada Transistor

Terdapat suatu hubungan matematis antara besarnya arus kolektor (IC), arus Basis (IB), dan arus emitor (IE), yaitu beta (β) = penguatan arus DC untuk common emitter, alpha (α)= penguatan arus untuk common basis, dengan hubungan matematis sebagai berikut [1].

dan sehingga [2]

Karakteristik sebuah transistor biasanya diperoleh dengan pengukuran arus dan tegangan pada rangkaian dengan konfigurasi common emitter (kaki emitter terhubung dengan ground), seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Hal

aman

2

Gambar 2.1-2 Rangkaian Transistor BJT

Dari karakteristik tersebut terdapat dua buah kurva karakteristik yang dapat diukur dari rangkaian diatas, yaitu:

• Karakteristik IC ‐ VBE • Karakterinstik IC ‐ VCE

2.2 Kurva Karakteristik IC-VBE

Arus kolektor merupakan fungsi eksponensial dari tegangan VBE, sesuai

dengan persamaan [3]:

Persamaan ini dapat digambarkan sebagai kurva seperti ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Gambar 2.2-1 Fungsi Eksponensial VBE

Dari kurva di atas juga dapat diperoleh transkonduktansi dari transistor, yang merupakan kemiringan dari kurva di atas, yaitu [4]

2.3 Kurva Karakteristik IC-VCE

Arus kolektor juga bergantung pada tegangan kolektor‐emitor. Titik kerja (mode kerja) transistor dibedakan menjadi tiga

bagian, yaitu daerah aktif, saturasi, dan cut‐off. Persyaratan kondisi ketiga mode kerja ini dapat dirangkum dalam tabel berikut ini.

Tabel 2.3-1 Tabel Karakteristik Mode Kerja Transistor

Mode Kerja

IC VCE VBE VCB Bias B-C

Bias B-E

Aktif =βIB

=VBE+VCB

~ 0.7V

0 Reverse

Forward

Saturasi

Max

~ 0V ~ 0.7V

-0.7V<VCE<0

Forward

Forward

Cut-Off

~ 0 =VBE+VCB

0 0 - -

Dalam kurva IC‐VCE mode kerja transistor ini ditunjukkan pada area‐area dalam gambar berikut ini.

Gambar 2.2-1 Daerah Mode Kerja Transistor

3. Metodologi

Gambar 3-1 Metodologi Percobaan

Rangkai kit praktikum dan

posisikan terminal

Multimeter sesuai model

rangkaian.

Nyalakan Power Supply atau Current Source sesuai

nilai yang ditentukan

Lakukan pengukuran pada

Multimeter

Proyeksikan pengukuran pada grafik, Lakukan

analisis atau ekstrapolasi

Hal

aman

3

Pada kit praktikum telah tersedia komponen yang akan dilakukan pada percobaan. Praktikan dipermudah karena cukup menghubung-hubungkan komponen tersebut sesuai model rangkaian beserta 3 buah multimeter yang dipakai untuk mengukur arus dan tegangan pada kaki transistor. Power supply disetting sebesar 10V sebagai VCC rangkaian. Untuk VIN pada rangkaian bias, akan telebih dahulu dilakukan kalibrasi osiloskop, dan pengukuran amplitude dan frekuensi sinyal dari generator sinyal yang tepat.

4. Hasil dan Analisis

4.1 Karakteristik Input Transistor IB-VBE

Gambar 4.1-1 Rangkaian Percobaan Karakteristik IB-VBE

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik transistor pada Gambar 4.1-1 dilakukan dengan mengubah-ubah resistor variable RB2 yang mana RB2 sebagai pembagi tegangan VCC menjadi VBE. Akibat perubahan pada VBE, dapat diukur perubahan IC dan IB. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.1-2 Karakteristik Input IB-VBE

VBE (V) IB (mA) IC (mA)0 0 0

0.2 0 00.4 0 0.240.5 0.03 0.670.54 0.08 0.670.58 0.19 0.670.62 0.37 0.670.66 0.72 0.670.70 1.6 0.670.72 1.97 0.67

Apabila data karakteristik diatas diproyeksikan dalam sebuah kurva, diperoleh kurva sebagai berikut.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80

0.5

1

1.5

2

2.5

Gambar 4.1-2 Kurva Karakteristik IB-VBE

Dari data diatas dapat diamati bahwa arus IC meningkat apabila VBE meningkat juga. Arus IC meningkat dengan cepat ketika VBE

diantara 0,5V-0,7V. Peningkatan ini terlihat jelas secara eksponensial. Hal ini sesuai dengan perhitungan matematis antara IC

dan VBE seperi pada [3] yang mana sifat ini menyerupai dioda. Dan VBE antara 0V-0,45V merupakan tegangan cut-off yang ditunjukan dengan nilai IB nol. Dan besar trankonduktansi transistor tersebut sesuai perhitungan pada [4] diperoleh Gm sebesar 8,75 mA/V. Pada gambar juga ditampilkan grafik IC untuk membandingkan antara kedua karakteristik arus ini. Dapat dilhat bahwa IC hanya merupakan fungsi lemah dari VBE.

4.2 Karakteristik Output Transistor IC-VCE

Gambar 4.2-1 Rangkaian Percobaan Karakteristik IC-VCE

Pada praktikum ini sudah terdapat sumber arus/current source yang besarnya dapat dipilih dan telah terukur. Oleh sebab itu tidak diperlukan lagi pengukuran IB

menggunakan multimeter. Jadi dengan mengubah-ubah tegangan VCE dari power supply, dapat diukur perubahan IC untuk setiap besar arus IB yang berbeda-beda, seperti pada tabel berikut.

Tabel 4.2-1 Karakteristik Output Ic-VCE

VCE

(F)

IC (mA)IB=0mA

IB=0.2mA

IB=0.4mA

IB=0.8mA

IB=1.2mA

IB=1.6mA

0 0 0 0 0 0 00.1 0 13.15 14.71 15.6 29.5 45.30.2 0 16.42 17.63 18.56 40.7 70.60.3 0 16.71 18.00 18.72 42.8 77.7

Hal

aman

4

0.4 0 16.79 18.10 18.89 43.4 80.90.5 0 16.90 18.26 18.99 43.5 82.71.0 0 17.46 18.93 19.42 45.7 89.22.0 0 19.41 20.28 21.11 49.1 94.15.0 0 21.55 22.00 22.90 62.2 -10.0

0 28.60 29.70 31.15 - -

Apabila data tabel diatas diproyeksikan dalam sebuah kurva, diperoleh kurva sebagai berikut.

0 0.5 1 1.5 2 2.50

20

40

60

80

100

Gambar 4.2-2 Kurva Karakteristik IB-VCE

Dari kurva diatas dapat diamati bahwa arus IC meningkat sangat cepat sampai ketika VCE disekitar 0.2V. Namun ketika VCE

bernilai lebih besar dari 0.2V kurva IC

meningkat dengan lambat dengan suatu kemiringan / slope yang lebih kecil. Namun yang paling dapat diamati perbedaannya adalah untuk suatu nilai IB menghasilkan suatu kurva IC tersendiri yang mana semakin besar nilai IB maka nilai IC beserta slopenya juga semakin besar. Dari sifat ini dapat disimpulkan bahwa IC bergantung / merupakan fungsi dari nilai IB. Ini adalah sifat dari transistor pada keadaan active. Untuk itu daerah kerja transistor terlihat jelas yaitu saturation region sampai pada VCE = 0,2V dan daerah cut-off seperti pada kurva IC untuk IB = 0mA yang nilainya nol / sejajar sumbu datar kurva tersebut. Hal ini sesuai dengan landasan teori 2.3 dan kurva pada gambar 2.2-1.

Pada praktikum tingkat akurasi dan presisi sangat diperlukan karena dalam pengukuran nilai tersebut berubah-ubah. Hal ini karena β dari transistor merupakan fungsi dari suhu. Ketika dinyalakan dan transistor bekerja pada keadaan active, apabila diberi IC dan VCE yang agak tinggi (tidak melebihi disipasi) suhu transistor meningkat, dan pengukuran pun berubah. Untuk itu kami mencatat pengukuran pada saat pengamatan pertama agar peningkatan suhu pada beberapa selang waktu berikutnya tidak mengurangi akurasi pengukuran. Dan pada saat praktikum berlangsung, praktikan juga diingatkan akan kemampuan disipasi maksimum transistor yaitu sebesar 500 mW. Apabila IC dan VCE yang diukur diperkirakan akan melebih daya disipasi tersebut maka tidak akan dilakukan

pengukuran (seperti pada tabel 4.1-2 untuk IB=1.6mA dan VCE=10V).

4.3 Early Effect

Gambar 4.3-1 Grafik Ektrapolasi Early Effect

Untuk mendapatkan tegangan early VA

dilakukan ekstrapolasi seperti pada gambar diatas. Dalam percobaan ini hanya diamati ektrapolasi dari dua buah kurva saja (untuk dua buah nilai IB) seperti pada tabel berikut.

Tabel 4.3-1 Pengukuran Percobaan Early Effect

VCE (V)IC (mA)

IB = 25µA IB = 50µA9 11.73 18.14

10 12.43 19.40

Apabila data tersebut diproyeksikan dalam kurva akan diperoleh kurva berikut.

8.8 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.20

5

10

15

20

25

f(x) = 1.26 x + 6.80000000000002

f(x) = 0.699999999999999 x + 5.43000000000001

Gambar 4.3-2 Kurva IC-VCE Percobaan Early Effect

Dari garis kurva diatas dapat diperoleh persamaan garis:

y =1.26x + 6.8 y = 0.7x +5.43

yang apabila dilakukan ektrapolasi maka di dapat diperoleh tegangan early dari persamaan tersebut VA1=-5.4V dan VA2=-7.7V. Maka dapat disimpulkan tegangan early VA sekitar -6.5V. Kurangnya presisi dari pengukuran ini disebabkan hal yang sama yaitu akibat dari pengaruh suhu.

4.4 Pengaruh Bias Pada Kerja TransistorPada percobaan ini rangkaian disusun seperti pada gambar berikut.

Hal

aman

5

Gambar 4.4-1 Rangkaian Pengaruh Bias Pada Kerja Transistor

Pada percobaan ini tidak dilakukan pada kit praktikum akan tetapi dirangkai pada Breadboard. Untuk itu pemasangan komponen sangat rentan / mudah lepas dan mempengaruhi pengamatan. VIN

rangakaian diinput dari generator sinyal dengan gelombang sinusoid VPP sebesar 50mV 1KHz. Karena amplitude sinyal tersebut sangat kecil digunakan fungsi tombol -20dB pada generator sinyal dan pengukurannya dilakukan di osiloskop. Karena current source sama seperti sebelumnya sudah memiliki nilai tertentu, maka pengukuran IB tidak perlu dilakukan dengan multimeter. Dan dengan mengubah-ubah resistor variable seperti gambar diatas, maka tegangan VCE dapat diatur supaya mengikuti daerah kerja transistor yang diinginkan. Hasil tegangan output pada ketiga daerah kerja transistor (saturasi, aktif, dan cut-off) dapat dilihat pada tabel berikut.

Tabel 4.4-1 Tabel Pengaruh Bias Pada Kerja Transistor

VIN dan VOUT

Daerah SaturasiIB = 1.2 mAIC = 11.28 mAVCE = 0.1 VVBE = 0.7 V

Daerah AktifIB = 1.2 mAIC = 45.7mAVCE = 1 VVBE = 0.7V

Daerah Cut-OffIB = 0.2 mAIC = 11.28 mAVCE = 0.5 VVBE = 0V

Pengaruh bias pada daerah saturasi diperoleh ketika VBE ~ 0,7 V,RC besar. Pada daerah ini transisitor dapat di implementasikan sebagai sakelar karena dengan memberikan tegangan junction pada base-emmiter sebesar cut-innya beban dapat langsung di drive oleh tegangan yang hanya dikurangi oleh VCE. Nilai VCE cenderung kecil. Namun arus yang masuk di kaki base juga harus besar, karena IC diset dengan menentukan IB pada rangkaian base-emmiter. Pada rangkaian, input berupa tegangan sinusoidal yang berpengaruh pada tegangan VBE, dan juga berpengaruh pada pergeseran nilai IB. Dari gambar sinyal pada osiloskop, terlihat bahwa sinyal output lebih cembung, dikarenakan penguatan penguatan melebihi batas (dekat daerah saturasi), sehingga kenaikan sinyal input tidak berbanding lurus pada kenaikan sinyal output. Telihat pada grafik, penguatan terbesar adalah pada daerah aktif. Sedang pada daerah saturasi, kenaikan arus base tidak memberikan pengaruh banyak pada kenaikan arus colector.

Pengaruh bias pada daerah aktif diperoleh ketika VBE ~ 0,7 V, RC kecil. Pada daerah ini transistor diimplementasikan sebagai penguat. Pada daerah kerja ini arus IC

mengalami penguatan sebesar β dari IB

sehingga apabila pada input diberi tegangan sinusoidal, maka secara penguatan linear, didapat tegangan output yang sinusoidal pula, namun dengan amplitudo yang jauh lebih tinggi.

Pengaruh bias pada daerah cut-off diperoleh ketika VBE < 0,7 V. Pada daerah ini tidak ada arus IC yang mengalir sehingga pada bentuk sinyal output ada bagian yang terpotong. Sebagian sinyal tegangan input membuat transisitor junction menjadi keadaan cut-off, sehingga tegangan output (VCE) menjadi tetap (maksimum atau VCC) karena IC = 0, maka VRC = 0.

5. Kesimpulan

Transistor memiliki karakteristik yang unik yatiu arus IB yang merupakan fungsi dari VBE dan arus IC yang merupakan fungsi

Hal

aman

6

penguatan dari IB sebesar β. Transistor memiliki 3 wilayah kerja yaitu saturation region, active region dan cut-off region yang dapat diperoleh dari sifat karakteristik IC terhadap VCE. Tegangan early dapat diperoleh dengan ektrapolasi dari suatu kurva IC untuk nilai IB tertentu pada transistor keadaan aktif. Pengaruh bias kerja dapat mengaplikasikan transistor sebagai penguat, switch, atau cut-off (open-circuit).

6. Daftar Pustaka

[1] A. S. Sedra et.al., Microelectronic Circuits 5th Ed, Hal. 377-458, Oxford University Press, New York, 2004

[2] Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum Elektronika EL-2140, Hal 13-24, Laboratorium Dasar Teknik Eletro STEI-ITB, Bandung, 2009

7. Lampiran

Kit EL-2140 'Karakteristik Transistor & Rangkaian Bias'

Hal

aman

7

Current Source EL-2140