Deskripsi Transistor Bipolar

Pada tulisan tentang semikonduktor telah dijelaskan bagaimana sambungan NPN maupun PNP menjadi sebuah transistor. Telah disinggung juga sedikit tentang arus bias yang memungkinkan elektron dan hole berdifusi antara kolektor dan emitor menerjang lapisan basis yang tipis itu.

Sebagai rangkuman, prinsip kerja transistor adalah arus bias basis-emitor yang kecil mengatur besar arus kolektor-emitor. Bagian penting berikutnya adalah bagaimana caranya memberi arus bias yang tepat sehingga transistor dapat bekerja optimal.

Arus bias

Ada tiga cara yang umum untuk memberi arus bias pada transistor, yaitu rangkaian CE (Common Emitter), CC (Common Collector) dan CB (Common Base). Namun saat ini akan lebih detail dijelaskan bias transistor rangkaian CE. Dengan menganalisa rangkaian CE akan dapat diketahui beberapa parameter penting dan berguna terutama untuk memilih transistor yang tepat untuk aplikasi tertentu. Tentu untuk aplikasi pengolahan sinyal frekuensi audio semestinya tidak menggunakan transistor power, misalnya.

Arus Emitor

Dari hukum Kirchhoff diketahui bahwa jumlah arus yang masuk kesatu titik akan sama jumlahnya dengan arus yang keluar. Jika teorema tersebut diaplikasikan pada transistor, maka hukum itu menjelaskan hubungan :

I_E = I_C + I_B ........(1)

Gambar 1: Arus Emitor

Persamanaan (1) tersebut mengatakan arus emiter I_E adalah jumlah dari arus kolektor I_C dengan arus basis I_B. Karena arus I_B sangat kecil sekali atau disebutkan I_B < < I_C, maka dapat dinyatakan :

I_E = I_C ..........(2)

Alpha (α)

Pada tabel data transistor (databook) sering dijumpai spesifikasi α_dc (alpha dc) yang tidak lain adalah :

α_dc = I_C/I_E ..............(3)

Defenisinya adalah perbandingan arus kolektor terhadap arus emitor.

Karena besar arus kolektor umumnya hampir sama dengan besar arus emitor maka idealnya besar α_dc adalah = 1 (satu). Namun umumnya transistor yang ada memiliki α_dc kurang lebih antara 0.95 sampai 0.99.

Beta (β)

Beta didefenisikan sebagai besar perbandingan antara arus kolektor dengan arus basis.

β = I_C/I_B ............. (4)

Dengan kata lain, β adalah parameter yang menunjukkan kemampuan penguatan arus (current gain) dari suatu transistor. Parameter ini ada tertera di databook transistor dan sangat membantu para perancang rangkaian elektronika dalam merencanakan rangkaiannya.

Misalnya jika suatu transistor diketahui besar β = 250 dan diinginkan arus kolektor sebesar 10 mA, maka berapakah arus bias basis yang diperlukan. Tentu jawabannya sangat mudah yaitu :

I_B = I_C/β = 10mA/250 = 40 uA

Arus yang terjadi pada kolektor transistor yang memiliki β = 200 jika diberi arus bias basis sebesar 0.1mA adalah:

I_C = βI_B = 200 x 0.1mA = 20 mA

Dari rumusan ini lebih terlihat defenisi penguatan arus transistor, yaitu sekali lagi, arus basis yang kecil menjadi arus kolektor yang lebih besar.

Common Emitter (CE)

Rangkaian CE adalah rangkain yang paling sering digunakan untuk berbagai aplikasi yang mengunakan transistor. Dinamakan rangkaian CE, sebab titik ground atau titik tegangan 0 volt dihubungkan pada titik emitor.

Gambar 1 Rangkaian CE

Sekilas Tentang Notasi

Ada beberapa notasi yang sering digunakan untuk mununjukkan besar tegangan pada suatu titik maupun antar titik. Notasi dengan 1 subscript adalah untuk menunjukkan besar tegangan pada satu titik, misalnya V_C = tegangan kolektor, V_B = tegangan base dan V_E = tegangan emitor.

Ada juga notasi dengan 2 subscript yang dipakai untuk menunjukkan besar tegangan antar 2 titik, yang disebut juga dengan tegangan jepit. Diantaranya adalah :

V_CE = tegangan jepit kolektor- emitor

V_BE = tegangan jepit basis - emitor

V_CB = tegangan jepit kolektor - basis

Notasi seperti V_BB, V_CC, V_EE berturut-turut adalah besar sumber tegangan yang masuk ke titik basis, kolektor dan emitor.

Kurva Basis

V_Bdan V_BE tentu saja akan berupa kurva dioda. Karena memang telah diketahui bahwa junction basis-emitor tidak lain adalah sebuah dioda. Jika hukum Ohm diterapkan pada loop base diketahui adalah :

I_B = (V_BB - V_BE) / R_B ......... (5)

V_BE adalah tegangan jepit dioda junction basis-emitor. Arus hanya akan mengalir jika tegangan antara basis-emitor lebih besar dari V_BE. Sehingga arus I_B mulai aktif mengalir pada saat nilai V_BE tertentu.

Gambar 3 Kurva I_B - V_BE

Besar V_BE umumnya tercantum di dalam databook. Tetapi untuk penyerdehanaan umumnya diketahui V_BE = 0.7 volt untuk transistor silikon dan V_BE = 0.3 volt untuk transistor germanium. Nilai ideal V_BE  = 0 volt.

Sampai disini akan sangat mudah mengetahui arus I_B dan arus I_C dari rangkaian berikut ini, jika diketahui besar b = 200. Katakanlah yang digunakan adalah transistor yang dibuat dari bahan silikon.

Gambar 4 Rangkaian 01

I_B = (V_BB - V_BE) / R_B

= (2V - 0.7V) / 100 K

= 13 uA

Dengan β = 200, maka arus kolektor adalah :

I_C = βI_B = 200 x 13uA = 2.6 mA

Kurva Kolektor

Sekarang sudah diketahui konsep arus base dan arus kolektor. Satu hal lain yang menarik adalah bagaimana hubungan antara arus base I_B, arus kolektor I_C dan tegangan kolektor-emitor V_CE. Dengan mengunakan rangkaian-01, tegangan V_BB dan V_CC dapat diatur untuk memperoleh plot garis-garis kurva kolektor. Pada gambar berikut telah diplot beberapa kurva kolektor arus I_C terhadap V_CE dimana arus I_B dibuat konstan.

Gambar 5 Kurva kolektor

Dari kurva ini terlihat ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja transistor. Pertama adalah daerah saturasi, lalu daerah cut-off, kemudian daerah aktif dan seterusnya daerah breakdown.

Daerah Aktif

Daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, dimana arus I_C konstans terhadap berapapun nilai V_CE. Dari kurva ini diperlihatkan bahwa arus I_C hanya tergantung dari besar arus I_B. Daerah kerja ini biasa juga disebut daerah linear (linear region).

Jika hukum Kirchhoff mengenai tegangan dan arus diterapkan pada loop kolektor (rangkaian CE), maka dapat diperoleh hubungan :

V_CE = V_CC - I_CR_C .............. (6)

Dapat dihitung disipasi daya transistor adalah :

P_D = V_CE.I_C ............... (7)

Rumus ini mengatakan jumlah dissipasi daya transistor adalah tegangan kolektor-emitor dikali jumlah arus yang melewatinya. Dissipasi daya ini berupa panas yang menyebabkan naiknya temperatur transistor.

Umumnya untuk transistor power sangat perlu untuk mengetahui spesifikasi P_Dmax. Spesifikasi ini menunjukkan temperatur kerja maksimum yang diperbolehkan agar transistor masih bekerja normal. Sebab jika transistor bekerja melebihi kapasitas daya P_Dmax, maka transistor dapat rusak atau terbakar.

Daerah Saturasi

Daerah saturasi adalah mulai dari V_CE = 0 volt sampai kira-kira 0.7 volt (transistor silikon), yaitu akibat dari efek dioda kolektor-basis yang mana tegangan V_CE belum mencukupi untuk dapat menyebabkan aliran elektron.

Daerah Cut-Off

Jika kemudian tegangan V_CC dinaikkan perlahan-lahan, sampai tegangan V_CE tertentu tiba-tiba arus IC mulai konstan. Pada saat perubahan ini, daerah kerja transistor berada pada daerah cut-off yaitu dari keadaan saturasi (OFF) lalu menjadi aktif (ON). Perubahan ini dipakai pada system digital yang hanya mengenal angka biner 1 dan 0 yang tidak lain dapat direpresentasikan oleh status transistor OFF dan ON.

Gambar 6 Rangkaian driver LED

Misalkan pada rangkaian driver LED di atas, transistor yang digunakan adalah transistor dengan β = 50. Penyalaan LED diatur oleh sebuah gerbang logika (logic gate) dengan arus output high = 400 uA dan diketahui tegangan forward LED, V_LED = 2.4 volt. Lalu pertanyaannya adalah, berapakah seharusnya resistansi R_L yang dipakai.

I_C = βI_B = 50 x 400 uA = 20 mA

Arus sebesar ini cukup untuk menyalakan LED pada saat transistor cut-off. Tegangan V_CE pada saat cut-off idealnya = 0, dan aproksimasi ini sudah cukup untuk rangkaian ini.

R_L = (V_CC - V_LED- V_CE) / I_C

= (5 - 2.4 - 0)V / 20 mA

= 2.6V/ 20 mA

= 130 Ohm

Daerah Breakdown

Dari kurva kolektor, terlihat jika tegangan V_CE lebih dari 40V, arus I_C menanjak naik dengan cepat. Transistor pada daerah ini disebut berada pada daerah breakdown. Seharusnya transistor tidak boleh bekerja pada daerah ini, karena akan dapat merusak transistor tersebut.

Untuk berbagai jenis transistor nilai tegangan V_CEmax yang diperbolehkan sebelum breakdown bervariasi. V_CEmax pada databook transistor selalu dicantumkan juga.

Datasheet transistor

Sebelumnya telah disinggung beberapa spesifikasi transistor, seperti tegangan V_CEmax dan P_D max. Sering juga dicantumkan di datasheet keterangan lain tentang arus I_Cmax V_CBmax dan V_EBmax. Ada juga P_Dmax pada T_A = 25^o dan P_Dmax pada T_C = 25^o. Misalnya pada transistor 2N3904 dicantumkan data-data seperti :

V_CBmax = 60V

V_CEOmax = 40V

V_EBmax = 6 V

I_Cmax = 200 mAdc

P_Dmax = 625 mW T_A = 25^o

P_Dmax = 1.5W T_C = 25^o

T_A adalah temperature ambient yaitu suhu kamar. Sedangkan T_C adalah temperature casing transistor. Dengan demikian jika transistor dilengkapi dengan heatshink, maka transistor tersebut dapat bekerja dengan kemampuan dissipasi daya yang lebih besar.

β atau h_FE

Pada system analisa rangkaian dikenal juga parameter h, dengan meyebutkan h_FE sebagai β_dc untuk mengatakan penguatan arus.

β_dc = h_FE ................... (8)

Sama seperti pencantuman nilai β_dc, di datasheet umumnya dicantumkan nilai h_FE minimum (h_FE min ) dan nilai maksimunya (h_FE max).

Penutup

Perhitungan-perhitungan di atas banyak menggunakan aproksimasi dan penyederhanaan. Tergantung dari keperluannya, untuk perhitungan lebih rinci dapat juga dilakukan dengan tidak mengabaikan efek-efek bahan seperti resistansi, tegangan jepit antar junction dan sebagainya.