Laporan Praktikum : Aplikasi Transistor PDF

Preview

Summary

Aplikasi Transistor Yuwanza Ramadhan – 1906285296 Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat 16436 [email protected] Transistor adalah komponen listrik yang sangat berguna dalam berbagai rangkaian listrik karena ketiga jenis moden...

Description

Aplikasi Transistor Yuwanza Ramadhan – 1906285296

Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat 16436 [email protected]

Transistor adalah komponen listrik yang sangat berguna dalam berbagai rangkaian listrik karena ketiga jenis modenya, yaitu saturasi, cut-off, dan aktif. Pemahaman mengenai cara memanfaatkan mode-mode transistor ini penting untuk dimiliki agar rangkaian yang menggunakannya dapat bekerja dengan baik. Praktikum ini mengeksplorasi berbagai aplikasi transistor dalam berbagai rangkaian, yang semuanya menggunakan setidaknya satu dari tiga mode transistor. Rangkaian yang digunakan adalah rangkaian penguat tegangan, penguat arus, rangkaian saklar, dan rangkaian cermin arus. Analisis teoritis sederhana juga dilakukan untuk membuat prediksi kuantitatif atas perilaku rangkaian-rangkaian tersebut. Perbandingan antara hasil pengukuran dari keempat rangkaian dan analisis teoritis menunjukkan adanya kecocokan antara teori dengan data yang didapat. Deviasi yang dapat terlihat berasal dari efek dari komponen lain dan aproksimasi transistor ideal yang kurang akurat.

PENDAHULUAN Semenjak penemuan transistor, komponen listrik ini telah banyak digunakan untuk berbagai tujuan di berbagai alat kelistrikan di seluruh dunia. Jika digunakan dalam mode aktif, transistor dapat digunakan dalam rangkaian amplifikasi. Hal ini sangat berguna untuk berbagai alat yang mengharuskan untuk menghasilkan sinyal output yang besar dari sinyal input yang kecil. Sebagai contoh, speaker yang terhubung ke mikrofon membutuhkan fungsi transistor ini. Selain itu, mode cut-off dan saturasi transistor juga dapat dimanfaatkan untuk rangkaian saklar. Rangkaian jenis ini banyak digunakan dalam sensor dan gerbang logika, sebagai fondasi dari elektronika digital. Karena luasnya aplikasi transistor dan setiap modenya tersebut, maka pemahaman mengenai cara memanfaatkan transistor ke dalam rangkaian tertentu enjadi penting. Praktikum ini dilakukan untuk mengeksplorasi aplikasi transistor yang menggunakan ketiga mode transistor tersebut. Laporan praktikum ini dibagi ke dalam beberapa bagian. Pada bagian Teori Dasar, praktikan menjelaskan prinsip dasar dari empat rangkaian aplikasi transistor. Pada bagian Teori Tambahan, praktikan memberikan penjelasan kuantitatif dalam bentuk penurunan rumus yang relevan dan penjelasannya. Pada bagian Cara Kerja, praktikan menjelaskan metode pengambilan data yang dilakukan pada keempat jenis rangkaian. Pada bagian Hasil, praktikan melaporkan karakteristik umum dari hasil pengukuran yang telah dilakukan. Pada bagian Pembahasan, praktikan mengekstrak informasi penting yang bisa didapat dari data yang telah didapatkan.

TEORI DASAR

Gambar 2.1 Rangkaian Dasar Penguat Transistor

1.

Transistor sebagai penguat

Transistor sering dipergunakan sebagai penguat paling dasar. R1 dan R3 digunakan untuk memberikan tegangan pada basis transistor dan menentukan titik tengah dari operasi transistor. Nilai R4 digunakan untuk mengatur daerah arus bagi transistor dan R2 berpengaruh pada penguatan transistor. Jenis penguat dibedakan berdasarkan kelas A, B dan C dan berdasarkan perbedaan input yang akan digunakan penguat diferensial. 2.

Transistor sebagai sumber arus

Transistor dapat digunakan sebagai sumber arus. Pada Gambar 2.2 terdapat rangkaian transisitor sebagai sumber arus. Kita dapat mengukur arus Ic pada ampermeter yang dipasang seri pada LED. 3.

Transistor sebagai saklar

Pada bagian ini transistor digunakan sebagai saklar. R3 dapat berupa LDR atau sensor lain yang nilai

Gambar 2.2 Rangkaian Penguat Arus

Gambar 2.4 Cermin Arus

TEORI TAMBAHAN Faktor penguatan pada rangkaian penguatan transistor dipengaruhi oleh konfigurasi rangkaiannya. Untuk pemodelan sederhana, transistor dianggap ideal, sehingga beda tegangan pada Base dan Emitter tetap konstan sebesar 𝑉 = 0,7 𝑉. Tegangan DC pada kaki Base dapat dicari dengan menggunakan analisis rangkaian pembagi tegangan.

Gambar 2.3 Transistor sebagai Saklar

hambatannya berubah sesuai dengan besaran tertentu. Jika R3 nilainya berkurang hingga menyebabkan Q1 tidak aktif maka beban tidak mendapat tegangan yang cukup. Jika nilai R4 bertambah sehingga basis Q1 mendapat tegangan yang cukup untuk menyebabkan Q1 saturasi maka beban akan mendapat arus sehingga saklar ON. 4.

Tegangan DC ini bertujuan untuk mempertahankan transistor agar tetap dalam keadaan forward aktif. Tegangan input 𝑣 akan memberikan variasi bagi tegangan pada kaki Base. Karena selisih tegangan Base dan Emitter konstan, maka variasi tegangan AC pada kaki Emitter juga sama dengan 𝑣 . Sehingga, variasi arus AC pada kaki Emitter adalah 𝑖 =

Cermin Arus

Aplikasi lain dari transistor adalah cermin arus, dimana kita dapat memiliki dua sumber arus yang sama. Arus pada R1, Q1 dapat dijadikan sebagai arus referensi bagi beban RL dengan nilai yang sama dan tidak dipengaruhi oleh beban. Dengan kata lain kita memiliki metode lain guna mendapatkan sumber arus yang tidak dipengaruhi hambatan beban.

𝑅 𝑅 +𝑅

𝑉 =𝑉

𝑣 𝑅

Dengan menggunakan pendekatan 𝑖 ≈ 𝑖 , maka variasi tegangan AC pada output adalah 𝑣

=𝑖 𝑅 =𝑣

𝑅 𝑅

Penguatan tegangan rangkaian ini adalah 𝑣 𝑣

=

𝑅 𝑅

Perhatikan bahwa keberadaan kapasitor tidak mempengaruhi penguatan rangkaian. Hal ini dikarenakan peran kapasitor hanya sebagai komponen yang dapat menahan tegangan DC yang berasal dari 𝑉 . Ini membuat tegangan output tidak mengandung kontribusi tegangan DC.

Pada rangkaian penguat arus, outputnya tidak dalam bentuk tegangan, tetapi arus. Karena adanya LED, maka karakteristik rangkaian ini akan cukup berbeda daripada rangkaian penguat arus biasa. LED memiliki karakteristik I-V yang cukup mirip dengan dioda pada umumnya. Dengan meninjau rangkaian ini dengan menggunakan Hukum Kirchoff 2, maka didapat 𝑉

− 𝐼 (𝑅 + 𝑅 ) − 𝑉

−𝑉

𝑉

−𝐼 𝑅 −𝑉

=0

𝐼 𝐼

Pada rangkaian cermin arus, kedua transistor yang digunakan adalah identik, sehingga arus yang mengalir pada kedua transistor harus sama. Hal ini dikarenakan kedua transistor memiliki tegangan Base yang sama, dan dibiaskan dengan tegangan 𝑉 yang sama. Sehingga, hubungan berikut ini berlaku 𝐼

Karena 𝐼 didapat

𝐼

=𝐼

=𝐼

+𝐼

+

+𝐼

2𝐼 𝛽

adalah arus pada hambatan beban, maka

𝐼

=𝐼

1+

2 𝛽

Dengan menganggap nilai 𝛽 sangat besar, maka 𝐼 ≈ 𝐼 . Nilai 𝐼 itu sendiri bisa dicari dengan menggunakan hubungan berikut ini 𝑉

−𝐼 𝑅 −𝑉 𝐼

=

−𝐼 𝑅 =0

𝑉 −𝑉 𝑅 +𝑅

CARA KERJA Praktikum ini terdiri dari empat pengukuran terpisah, yang mendemonstrasikan aplikasi transistor pada rangkaian. Setiap rangkaian yang digunakan akan disimulasikan dengan menggunakna perangkat lunak EasyEDA. 1.

3.

−𝐼 𝑅 =0

Dalam persamaan tersebut, diasumsikan bahwa arus pada Emitter hampir sama dengan arus pada Collector. Penguatan arus pada rangkaian ini adalah 𝛽=

2.

Transistor sebagai penguat a. Meyusun rangkaian seperti pada Gambar 2.1. b. Memberi Vin sebesar 10 mVpp, catat Vin dan Vout, serta fase masing-masing tegangan. c. Menaikkan Vin sampai 100 mVpp dengan interval kenaikan 20 mVpp, lalu mencatat

4.

nilai Vin dan Vout serta fase masing-masing tegangan. Transistor sebagai penguat arus a. Meyusun rangkaian seperti pada Gambar 2.2. b. Memberi Vbb sebesar 0 Volt, naikkan sebesar 1 sampai 12 Volt, dan mencatat arus yang mengalir pada R3 dan R1. Transistor sebagai saklar a. Meyusun rangkaian pada Gambar 2.3. b. Menghalangi cahaya yang jatuh pada LDR, kemudian ukur IC dan VCE. c. Membuka penghalang cahaya pada LDR, kemudian ukur IC dan VCE. Cermin Arus a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 2.4. b. Mengukur arus yang mengalir pada R1, R3, R4 dan RL. c. Memvariasikan RL dengan nilai yang berbeda.

HASIL Data percobaan pertama yang melibatkan rangkaian penguat tegangan telah praktikan dapatkan dalam bentuk grafik tegangan sebagai fungsi waktu. Setiap data yang telah didapatkan menunjukkan bahwa tegangan output memiliki fase yang tergeser sebesar 𝜋⁄2 radian mendahului fase tegangan input. Selain itu, secara sekilas juga dapat terlihat bahwa semakin tinggi amplitudo tegangan input, maka semakin tinggi pula amplitudo tegangan output. Namun, tegangan output selalu terlihat lebih kecil dari tegangan input. Data percobaan kedua yang menggunakan rangkaian penguat arus telah praktikan dapatkan dalam bentuk data 𝐼 dan 𝐼 . Pada interval data 0 𝑉 ≤ 𝑉 ≤ 7 𝑉, dapat terlihat bahwa nilai 𝐼 dan 𝐼 selalu naik seiring 𝑉 dinaikkan. Namun, setelah 𝑉 ≥ 8 𝑉, nilai 𝐼 mulai turun, dan 𝐼 naik jauh lebih drastis jika dibandingkan dengan interval data sebelumnya. Data percobaan ketiga yang menggunakan rangkaian sensor cahaya hanya merupakan pengukuran tunggal. Pengukuran 𝐼 (arus Collector) dan 𝑉 (tegangan Collector-Emitter) dilakukan ketika LDR dalam dua keadaan yang berbeda. Keadaan pertama adalah ketika LDR ditutup, sehingga tidak ada cahaya yang mengenainya, dan keadaan kedua adalah ketika LDR dibuka, sehingga terdapat cahaya yang mengenainya. Data percobaan terakhir yang melibatkan rangkaian cermin arus telah praktikan dapatkan dalam bentuk nilai-nilai arus yang mengalir di berbagai komponen dalam rangkaian. Karena ciri khas dari rangkaian ini, praktikan hanya perlu melakukan pengukuran untuk satu nilai 𝑅 , yaitu 𝑅 = 5600 Ω. Namun, untuk

(μA)

𝐼

memastikan keabsahan nilai arus yang telah didapat, praktikan memverifikasinya dengan mengukur ulang untuk interval nilai 𝑅 yang luas. Hasil verifikasi tersebut menunjukkan bahwa nilai arus yang didapat pada 𝑅 = 5600 Ω masih tidak banyak berubah pada interval dari nol Ohm sampai sekitar 2𝑅 .

PEMBAHASAN

Dua fitur yang menarik antara gelombang input dan output pada percobaan pertama adalah perbedaan fase kedua gelombang dan amplitudo gelombang. Perbedaan fase sebesar 𝜋⁄2 radian antara gelombang output dan gelombang input disebabkan oleh adanya kapasitor pada input rangkaian ini. Dalam representasi fasor, impedansi kapasitor adalah 1⁄2𝜋𝑖𝑓𝐶 , atau bisa ditulis menjadi 𝑒 ⁄ ⁄2𝜋𝑓𝐶 . Dari bentuk ini, dapat terlihat bahwa pergeseran fase dari kapasitor adalah 𝜋⁄2 radian. Kapasitor di output rangkaian tidak mempengaruhi tegangan output karena tidak ada arus yang mengalir melaluinya dalam keadaan tunak. Peran kapasitor di output hanya untuk menahan tegangan DC agar tidak terukur pada tegangan output.

𝑉

(μV)

Sekilas, amplitudo gelombang output bergantung erat kepada amplitudo gelombang input. Untuk menguji hubungan ini, praktikan membuatkan plot amplitudo gelombang output (𝑉 ) terhadap amplitudo gelombang input (𝑉 ). Indeks PP menunjukkan bahwa nilai tegangan yang diplot adalah tegangan peak-to-peak. Plot dari amplitudo gelombangg output dan input diberikan pada gambar 6.1. Dari plot itu, praktikan menggunakan analisis regresi linier untuk mendapatkan kemiringan grafik, yaitu rasio ⁄𝑉 . Nilai kemiringan yang praktikan 𝑉 ⁄𝑉 ≈ 2,743 × 10 , lebih dapatkan adalah 𝑉 kecil dari prediksi teoritis, yaitu 𝑅 ⁄𝑅 ≈ 6,82 × 10 . Perbedaan yang cukup drastis ini (walaupun hubungan linier antara 𝑉 dan 𝑉 ) disebabkan oleh keberadaan kapasitor pada input rangkaian. Hal ini dapat dilihat dari impedansi kapasitor pada input, yaitu 𝑋 = 1⁄2𝜋𝑓𝐶 ≈ 318 𝑘Ω. Nilai ini jauh lebih besar dari seluruh hambatan resistor yang digunakan

𝑉

(mV)

Gambar 6.1 Grafik 𝑉

vs. 𝑉

𝐼

(μA)

Gambar 6.2 Grafik 𝐼

vs. 𝐼

dalam rangkaian ini. Akibatnya, akan ada penurunan tegangan sepanjang kaki inputnya, yang menyebabkan nilai 𝑣 (dan 𝑣 ) lebih rendah daripada seharusnya.

Analisis pada data percobaan kedua akan lebih membawa banyak infomasi jika titik data yang telah praktikan dapatkan dipisah menjadi dua bagian. Bagian pertama adalah data pada interval input 0 𝑉 ≤ 𝑉 ≤ 7 𝑉, dan bagian kedua pada interval input 𝑉 ≥ 8 𝑉. Setiap bagian memiliki karakteristiknya masingmasing. Pada bagian data pertama, praktikan dapat membuat plot 𝐼 vs. 𝐼 , yang telah praktikan buatkan dalam gambar 6.2. Dari plot tersebut, praktikan menggunakan analisis statistik yang sama dengan sebelumnya untuk mendapatkan kemiringan grafik sebesar 𝛽 = 𝐼 ⁄𝐼 = 199,97 ≈ 200. Rasio 𝐼 ⁄𝐼 adalah penguatan arus dari rangkaian ini, yang nilainya dapat dianggap sama dengan 200. Pada bagian data pertama ini, transistor masih dalam keadaan aktif, sehingga hubungan 𝐼 = 𝛽𝐼 berlaku. Pada bagian data kedua, hubungan 𝐼 = 𝛽𝐼 sudah tidak berlaku. Hal ini dikarenakan transistor tidak lagi dalam keadaan aktif. Hasil percobaan ketiga menunjukkan karakteristik rangkaian ini dalam dua keadaan LDR. Ketika LDR ditutup, resistansinya akan menjadi sangat besar. Hal ini menyebabkan tegangan pada Base mendekati nilai tegangan 𝑉 , sehingga beda tegangan pada LED hampir nol. Ini berarti, transistor berada dalam keadaan saturasi, dan LED akan menyala. Hal ini dapat terlihat dari hasil pengukuran, dimana nilai 𝐼 mencapai ordo miliAmpere, dan 𝑉 bernilai cukup kecil. Ketika LDR dibuka, hal sebaliknya terjadi. Ini berarti, transistor berada dalam keadaan cut-off, dan LED tidak akan menyala. Nilai 𝐼 yang jauh lebih kecil dari pengukuran sebelumnya (sampai ordo mikroAmpere) dan nilai 𝑉 yang hampir sama dengan 𝑉 mengonfirmasi yang sudah dijelaskan sebelumnya. Hasil percobaan terakhir menunjukkan karakteristik utama dari rangkaian cermin arus. Idealnya, pada

rangkaian cermin arus seperti pada Gambar 4.4, arus yang mengalir pada resistor 𝑅 akan kira-kira sama dengan arus pada hambatan beban. Dalam hasil pengukuran yang telah didapat, nilai 𝐼 dan 𝐼 memiliki perbedaan yang cukup kecil (𝐼 − 𝐼 ≈ 4,971 𝜇𝐴), kurang dari 1% nilai 𝐼 dan 𝐼 . Perbedaan ini berasal dari nilai 𝛽 yang, walaupun besar, tidak bisa dianggap tak terhingga. Sehingga, dari perbedaan nilai 𝐼 dan 𝐼 , bisa didapat nilai 𝛽 ≈ 206. Perhatikan bahwa nilai ini cukup dekat dengan nilai 𝛽 dari percobaan kedua. Hal ini menunjukkan adanya konsistensi antara hasil percobaan yang berbeda.

KESIMPULAN 1.

2.

3.

4.

Rangkaian penguat transistor dapat memberikan tegangan output yang proporsional terhadap tegangan input. Idealnya, konstanta proporsionalitas tersebut memiliki bentuk 𝑅 ⁄𝑅 . Namun komponen lain dapat mengubah nilai konstanta tersebut, seperti kapasitor pada input. Transistor pada rangkaian ini selalu dalam mode aktif. Rangkaian penguat arus dapat menghasilkan nilai 𝐼 dan 𝐼 yang memiliki hubungan proporsionalitas. Namun, hubungan ini hanya berlaku sampai nilai 𝐼 tertentu, sebelum transistor yang digunakan memasuki mode saturasi. Rangkaian saklar dapat diatur sehingga memiliki karakteristik tertentu. Ketika LDR ditutup, LED akan menyala, dan sebalikya. Dalam kedua bentuk perlakuan, transistor berada dalam mode cut-off (LDR dibuka) dan saturasi (LDR ditutup). Rangkaian cermin arus dapat menghasilkan arus yang sama untuk kedua transistor yang digunakan. Nilai arus ini dapat dibuat tidak tidak banyak berubah jika hambatan beban divariasikan dalam interval yang cukup besar. Referensi

Gray, P. R., Hurst, P. J., Lewis, S. H., & Meyer, R. G. (2009). Analysis and Design of Analog Integrated Circuits (5th ed.). Wiley. Malvino, A., & Bates, D. (2015). Electronic Principles (8th ed.). McGraw-Hill Education. MODUL

4 ; Aplikasi Transistor. E-Learning Management System, Universitas Indonesia. Diakses pada 5 November, 2020, dari https://emas.ui.ac.id/mod/resource/view.php ?id=518349

Najmabadi, F. (2012). Transistor Amplifiers [Slides]. UC San Diego. http://aries.ucsd.edu/NAJMA BADI/CLASS/ECE65/12-W/Slides/ECE65_ W12-Amp.pdf Wu, M. C. (2014). EE105 – Fall 2014 ; Microelectronic Devices and Circuits [Slides]. Department of Electrical Engineering and Computer Sciences at UC Berkeley. https://inst.eecs.berkeley.edu/ ~ee105/fa14/lectures/Lecture20-Current%20 Mirrors.pdf

LAMPIRAN 1. Percobaan 1 : Transistor sebagai penguat

Gambar 8.1 Skema rangkaian percobaan pertama dan penempatan osiloskop Tabel 1 : Data Percobaan 1 Vin

10 mVpp

Vout

30 mVpp

50 mVpp

70 mVpp

90 mVpp

100 mVpp

2. Percobaan 2 : Transistor sebagai penguat arus Tabel 2 : Data Percobaan 2 Hasil Simulasi

Vin (Volt) 0

IR3 (A) -11,991 × 1012

IR1 (A) 12,434 × 10-12

1

194,789 × 10-9

42,657 × 10-6

2

644,866 × 10-9

139,041 × 10-6

3

1,116 × 10-6

237,076 × 10-6

4

1,605 × 10-6

335,574 × 10-6

5

2,109 × 10-6

434,284 × 10-6

6

2,630 × 10-6

533,111 × 10-6

7

3,168 × 10-6

632,009 × 10-6

8

125,012 × 10-6

590,395 × 10-6

9

314,468 × 10-6

471,140 × 10-6

10

504,861 × 10-6

351,181 × 10-6

11

694,456 × 10-6

232,339 × 10-6

12

881,098 × 10-6

117,020 × 10-6

3. Percobaan 3 : Transistor sebagai saklar LDR tertutup

𝐼 (mA)

(V)

1,802

𝑉

𝐼 (μA)

𝑉

(V)

0,237

LDR terbuka

7,855

4. Percobaan 4 : Cermin Arus

10,862

𝑅 = 5600 Ω 𝐼

(μA)

517,789

𝐼

(μA)

515,279

𝐼

(μA)

515,328

𝐼

(μA)

512,818...