Laporan Praktikum - Karakteristik BJT PDF

Preview

Summary

MODUL 2 KARAKTERISTIK BJT Kevin Arisaputra (13218033) Asisten: Yoga Putera (13217080) Tanggal Percobaan: 19/02/2020 EL2205-Praktikum Elektronika Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditujukkan...

Description

MODUL 2 KARAKTERISTIK BJT Kevin Arisaputra (13218033) Asisten: Yoga Putera (13217080) Tanggal Percobaan: 19/02/2020 EL2205-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak Pada praktikum modul ini, dilakukan berbagai percobaan mengenai BJT dan karakteristiknya. Percobaan-percobaan tersebut antara lain: percobaan mengetahui karakteristik BJT, percobaan mencari tegangan Early dari suatu BJT, dan juga dilakukan percobaan mengenai rangkaian bias penguat transistor. Hasil praktikum ini secara umum memberikan pemahaman kepada praktikan tentang karakteristik dari transistor BJT NPN yang berbeda-beda. Meskipun masingmasing transistor memiliki tipe yang sama, namun akan memiliki β yang berbeda-beda. Praktikum ini juga memberikan pemahaman tentang cara menghitung tegangan Early dan yang terakhir adalah mempelajari efek biasing pada transistor BJT. Efek biasing dilakukan dengan cara mengubah-ubah resistor variabel dan mengubah sinyal input AC.

Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditujukkan oleh gambar berikut ini.

Gambar 2-1 Transistor BJT NPN [1]

Kata kunci: karakteristik BJT NPN, tegangan Early, efek biasing, dan resistor variabel. 1.

PENDAHULUAN

Transistor merupakan komponen yang banyak digunakan untuk membuat suatu penguat. Pada percobaan ini, digunakan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Transistor ini memiliki 2 buah junction semikonduktor, oleh karena itu disebut sebagai bipolar. Namun, transistor memiliki karakteristik yang sangat unik. Setiap transistor dapat memiliki β yang berbeda-beda meskipun merupakan transistor dengan tipe yang sama dan diproduksi pada tempat yang sama. Tujuan dari praktikum modul ini antara lain: memahami karakteristik transistor BJT dan memahami teknik bias dengan rangkaian diskrit dan sumber arus konstan.

2. 2.1

STUDI PUSTAKA

Gambar 2-2 Transistor BJT PNP [1]

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 ( ) = penguatan arus untuk common basis, dengan hubungan matematis sebagai berikut. 𝛽=

𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝑑𝑎𝑛 𝛼 = , 𝑠𝑒ℎ𝑖𝑛𝑔𝑔𝑎 𝐼𝐵 𝐼𝐸

𝛽=

TRANSISTOR

Transistor 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.

𝛼 𝛽 𝑑𝑎𝑛 𝛼 = 1−𝛼 𝛽+1

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 [1].

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

1

mode kerja ini dapat dirangkum dalam tabel berikut ini. Mode Kerja

IC

VCE

VBE

VCB

BCJ

BEJ

Aktif

Β.IB

VBE+VCB

~ 0,7

0

RB

FB

Saturasi

Max

~0

~ 0,7

0,7 < VCE < 0

FB

FB

CutOff

~0

VBE+VCB

0

0

-

-

Dalam kurva IC - VCE mode kerja transistor ini ditunjukkan pada area-area dalam gambar berikut ini [1]. Gambar 2-3 Rangkaian Common Emitter [1]

2.2

KURVA KARAKTERISTIK IC - VBE

Arus kolektor merupakan fungsi eksponensial dari tegangan VBE, sesuai dengan persamaan: 𝐼𝐶 = 𝛼. 𝐼𝐸𝑆 . 𝑒 𝑉𝐵𝐸/𝜂𝑘𝑇

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

Gambar 2-5 Kurva Karakteristik IC – VCE [1]

3. 3.1

METODOLOGI ALAT DAN BAHAN

Alat-alat dan komponen yang digunakan pada praktikum ini: 1. Kit Penguat Transistor

(1 buah)

2. PEAK Atlas DCA Pro

(1 buah)

3. Power Supply DC

(1 buah)

4. Generator Sinyal

(1 buah)

Gambar 2-4 Kurva Karakteristik IC - VBE [1]

5. Osiloskop

(1 buah)

Dari kurva di atas juga dapat diperoleh transkonduktansi dari transistor, yang merupakan Δ𝐼 kemiringan dari kurva di atas, yaitu 𝑔𝑚 = Δ𝑉 𝐶 [1].

6. Multimeter

(1 buah)

7. Transistor 2N2222

(2 buah)

2.3

KURVA KARAKTERISTIK IC - VCE

𝐵𝐸

8. Kabel-kabel

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 Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

2

3.2

CARA KERJA

3.2.4

3.2.1

KARAKTERISTIK INPUT TRANSISTOR IC - VBE

PENGARUH BIAS PADA PENGUAT TRANSISTOR

Susun rangkaian seperti yang tertera pada modul. Atur generator sinyal dengan gelombang sinus 20 mVpp, 1kHz.

Buka tab Graph BJT IC / VBE, atur pengaturan tracing VCE 0-10 V dengan point 11, VBE 0-1 V dengan point 11 kemudian start tracing.

Dengan multimeter, ukur tegangan pada VCE sampai didapat tegangan 8 V dengan cara memutar knop resistor variabel.

Amati grafik yang terbentuk dan catat di BCL. Amati sinyal tegangan generator sinyal (Ch. 1) dan VCE (Ch. 2) menggunakan osiloskop lalu gambar pada BCL. Simpan data tabulasi hasil sampling dari aplikasi DCA Pro. Ukur VBE, IB, IC, dan Rvar dengan multimeter.

Gambar 3-1 Karakteristik Input Transistor IC - VBE

3.2.2

KARAKTERISTIK OUTPUT TRANSISTOR IC - VCE

Ulangi langkah-langkah di atas untuk VCE = 5 V dan VCE = 2 V. Khusus VCE = 5 V, ukur juga IE.

Buka tab Graph BJT IC / VCE, atur pengaturan tracing VCC 0-12 V dengan point 26, IB 0-10 µA dengan point 11 kemudian start tracing.

Gambar 3-4 Pengaruh Bias pada Penguat Transistor

4. Amati grafik yang terbentuk dan catat di BCL.

4.1

Simpan data tabulasi hasil sampling dari aplikasi DCA Pro. Gambar 3-2 Karakteristik Output Transistor IC - VCE

3.2.3

HASIL DAN ANALISIS

EARLY EFFECT

KARAKTERISTIK INPUT TRANSISTOR IC - VBE

Pengesetan alat: DCA Pro diset pada IC - VBE Tracing VCE 0 – 10 V, point 11 Tracing VBE 0 – 1 V, point 11 Hasil:

Dengan menggunakan hasil grafik sebelumnya, pilih IB dengan kemiringan kurva yang cukup besar.

Pada kurva IC - VCE tersebut, pilih 2 titik koordinat dan hitung tegangan Early-nya menggunakan rumus.

Ulangi langkah-langkah di atas untuk 1 hitungan tegangan Early lainnya untuk mengkonfirmasi hasil pengamatan. Pilih IB yang berbeda. Gambar 3-3 Early Effect

Gambar 4-1 Grafik Karakteristik Input Transistor IC - VBE

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

3

Gambar 4-2 Hasil Simulasi SPICE Karakteristik Input Transistor IC - VBE

Analisis: Pada percobaan pengamatan karakteristik input transistor, didapatkan data seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4-1 dan Gambar 4-2. Pada data di atas dapat diamati bahwa hasil simulasi dan hasil pengamatan menunjukkan hasil yang tidak berbeda jauh. Hanya saja pada simulasi, skalanya kurang detail sehingga sulit untuk melihat besarnya arus IC. Sedangkan pada hasil percobaan menggunakan DCA Pro, hasil yang didapatkan lebih kecil skalanya sehingga sangat mudah untuk meihat karakteristik transistornya. Pada Gambar 4-1 dapat dilihat bahwa kedua transistor tidak memiliki perbedaan karakteristik yang cukup signifikan. Kedua transistor akan dialiri arus IC ≈ 6 mA ketika VBE ≈ 1 V. Dari kedua gambar di atas, juga daat diamati bahwa nilai tegangan cut-in dari transistor tersebut berada pada kisaran 0,7 V jika dilihat sekilas dari hasil simulasi. Sedangkan pada hasil pengukuran menggunakan DCA Pro, hasil yang didapat lebih mendetail dan dapat diamati bahwa tegangan cutin kedua transistor berada pada kisaran 0,6 V. Jika diingat kembali, ternyata bentuk karakteristik sinyal ini mirip dengan karakteristik dioda. Hal ini masuk akal, karena di dalam transistor BJT, terdapat junction seperti yang terdapat pada dioda. Jumlah junction tersebut 2, oleh karena itu disebut sebagai bipolar junction, sehingga transistor tentu akan memiliki karakteristik dari dioda pula. Kesimpulannya, transistor juga memiliki karakteristik yang dimiliki oleh dioda, karena transistor secara fisis komponennya serupa dengan dioda yaitu terdapat semikonduktor di dalamnya.

4.2

KARAKTERISTIK OUTPUT TRANSISTOR IC - VCE

Pengesetan alat: DCA Pro diset pada IC – VCE Tracing VCC 0 – 12 V, point 26 Tracing IB 0 – 10 µA, point 11 Hasil:

Gambar 4-3 Grafik Karakteristik Output Transistor IC – VCE

Gambar 4-4 Hasil Simulasi SPICE Karakteristik Output Transistor IC – VCE

Analisis: Pada percobaan pengamatan karakteristik input transistor, didapatkan beberapa data seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4-3 dan Gambar 4-4. Jika dilihat sekilas dari kedua hasil, tidak ada perbedaaan antara grafik hasil simulasi dengan grafik hasil pengukuran menggunakan DCA Pro. Hanya saja hasil dengan simulasi lebih detail skalanya, sedangkan hasil pengukuran lebih luas skalanya. Pada Gambar 4-3 dapat dilihat bahwa nilai IC mulai linear pada saat VCC ≈ 1 V. Hal ini tidak jauh berbeda dengan hasil pada Gambar 4-4 yang menunjukkan hal yang serupa. Namun, pada Gambar 4-3 dapat dilihat antara kedua transistor, terdapat perbedaan arus IC yang cukup besar yaitu hingga 1 mA. Hal ini menunjukkan bahwa masingmasing transistor memiliki karakteristik yang

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

4

berbeda-beda meskipun memiliki kode tipe transistor yang sama yaitu tipe 2N2222. Dari hasil percobaan ini, juga didapatkan hasil yang mirip dengan grafik teoritis pada Gambar 2-5. Jika dilihat dari grafik hasil pengamatan, maka garis VCE 0 – 1 V disebut daerah saturasi, garis IB = 0 A disebut daerah cut-off, sedangkan daerah sisanya disebut sebagai daerah aktif. Kesimpulannya, setiap transistor memiliki titik kerja yang berbeda-beda, meskipun transistor tersebut memiliki kode tipe yang sama. Titik kerja yang dimaksud di sini adalah daerah cut-off, saturasi, dan aktif.

4.3

EARLY EFFECT

Pengesetan alat: Eksport data tabulasi DCA Pro dari percobaan 2 Pilih 2 garis IB untuk masing-masing transistor Hasil: Tabel 4-1 Data Pengukuran Tegangan Early Transistor 1 IB (µA)

VCE1 (V)

IC1 (mA)

VCE2 (V)

IC2 (mA)

VA (V)

10

1,926669

2,154184

10,50876

2,239722

214,2

7

2,358929

1,50542

10,96923

1,557719

245,48

𝑉𝐴 =

𝑉𝐶𝐸2 𝐼𝐶1 − 𝑉𝐶𝐸1 𝐼𝐶2 𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶1

Jika dilihat pada gambar hasil simulasi, akan didapatkan tegangan Early sebagai berikut. 𝑉𝐴

2,0704846 × 1,4049091 − 1,4812775 × 1,4131204 1,4131204 − 1,4049091 = 99,328 𝑉 =

Ternyata hasil simulasi dan hasil pengamatan menunjukkan hasil yang berbeda. Hal ini kemungkinan besar disebabkan oleh karakteristik transistor yang berbeda-beda. Untuk tegangan Early transistor 1 dan transistor 2 berbeda tentu disebabkan oleh perbedaan karakteristik masingmasing transistor, seperti yang sudah diamati pada percobaan 2. Pengamatan yang didapatkan adalah semakin besar nilai IC pada hubungan IC/VCE, maka nilai teganan Early akan semakin kecil.

4.4

PENGARUH BIAS PADA PENGUAT TRANSISTOR

Pengesetan alat: Generator sinyal = sinus 24,8 mVpp, 1 kHz Ch. 1 ke generator sinyal (kopling AC), Ch. 2 ke VCE (kopling AC) Hasil:

Tabel 4-2 Data Pengukuran Tegangan Early Transistor 2 IB (µA)

VCE1 (V)

IC1 (mA)

VCE2 (V)

IC2 (mA)

VA (V)

10

2,265334

3,072099

9,842242

3,23258

142,77

9

2,471115

2,782745

10,06011

2,909665

164,05

Gambar 4-5 Hasil Simulasi SPICE Early Effect

Analisis: Pada percobaan Early effect, didapatkan hasil seperti yang terlihat pada Tabel 4-1, Tabel 4-2, dan Gambar 4-5. Data-data dari Tabel 4-1 dan Tabel 4-2 tersebut diambil dari hasil eksport data tabulasi dari grafik pada percobaan 2 menggunakan DCA Pro. Praktikan memilih beberapa garis yang berbeda dan didapatkanlah data seperti pada tabel. Rumus untuk menghitung tegangan Early (VA) yaitu sebagai berikut.

Gambar 4-6 Sinyal Hasil Percobaan Pengaruh Bias pada Penguat Transistor

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

5

Dapat diamati pada VCE = 2 Vrms, VCE mengalami potongan pada bagian bawah. Hal ini terjadi, karena ketika nilai VCE menyentuh titik bawah tersebut, dalam kasus ini yaitu 0 V, transistor akan memasuki mode kerja cut-off. Sehingga arus tidak dapat mengalir pada transistor yang menyebabkan tegangan menjadi bernilai 0 V.

Gambar 4-7 Hasil Simulasi SPICE Pengaruh Bias pada Penguat Transistor

Analisis: Pada percobaan pengaruh bias pada penguat transistor, didapatkan hasil seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4-6 dan Gambar 4-7. Pada percobaan ini, digunakan sinyal input yang tidak sesuai dengan modul, pada modul seharusnya Vin yang digunakan adalah sinus 20 mVpp, namun karena keterbatasan kemampuan generator sinyal, maka digunakan Vin sinus 24,8 mVpp. Namun dapat dilihat pada Gambar 4-6, nilai Vin berubahubah dan pada gambar terlihat tegangan noise tertangkap oleh osiloskop. Hal ini disebabkan oleh tegangan generator sinyal yang terlalu kecil, sehingga noise terkecil sekalipun akan ikut terbaca oleh osiloskop, hal ini juga menyebabkan nilai Vpp Vin berubah-ubah sesuai noise yang terjadi seperti yang dapat dilihat pada gambar. Dapat diamati antara hasil simulasi dan hasil pengamatan tidak jauh berbeda. Sinyal VCE yang didapatkan dari hasil percobaan sebenarnya memiliki nilai yang mirip seperti hasil simulasi, yaitu sinyal sinus yang terkena offset DC. Namun pada osiloskop, sinyal tersebut digeser posisinya ke tengah untuk memudahkan pengamatan. Hasil percobaan ini menunjukkan hasil yang cukup unik. Dapat diamati pada Gambar 4-6, untuk nilai VCE dengan rms tertentu, akan didapatkan sinyal VCE yang berubah-ubah pula, namun semakin rendah VCE, maka Vpp dari VCE akan semakin tinggi. Hal ini dikarenakan ketika VCE rms semakin kecil, pengaruh dari sinyal input dari generator sinyal akan semakin terasa. Hal ini disebabkan sifat transistor yang tidak linear, sehingga perubahan Vin yang kecil dapat menyebabkan perubahan VCE yang sangat besar. Namun ketika nilai VCE semakin besar, transistor akan semakin dalam memasuki kondisi aktif, sehingga perubahan Vin akan menjadi tidak begitu terasa dari sebelumnya.

Dari percobaan ini, juga dapat dihitung nilai β dari suatu transistor dengan rumus IC/IB. Dapat diamati nilai β akan mengecil ketika transistor memasuki mode cut-off. Dapat diamati pula, ketika Rvar semakin besar, maka VCE akan semakin kecil, hal ini terjadi karena ketika Rvar semakin besar, maka IB akan semakin besar yang menyebabkan IC juga semakin besar karena hubungan β. IC yang besar menyebabkan tegangan drop pada Rc semakin besar sehingga VC akan semakin kecil yang berimbas kepada kecilnya VCE.

5.

KESIMPULAN

Pada praktikum modul ini, dilakukan berbagai percobaan mengenai transistor dan karakteristiknya. Tujuan dari praktikum modul ini antara lain: memahami karakteristik transistor BJT dan memahami teknik bias dengan rangkaian diskrit dan sumber arus konstan. Kesimpulan yang didapat dari praktikum ini yaitu: • Setiap transistor memiliki karakteristik yang terdapat pada dioda, hal ini disebabkan transistor juga merupakan semikonduktor persis seperti dioda. Perbedaannya adalah transistor BJT memiliki 2 junction sedangkan dioda hanya 1 junction. Hal ini juga menyebabkan komponen transistor bersifat tidak linear seperti dioda. Pada percobaan ini, transistor yang digunakan memiliki tegangan cut-in ≈ 0,6 V. • Transistor memiliki 3 buah titik kerja yaitu: titik kerja aktif, saturasi, dan cut-off. Titik kerja transistor pada suatu waktu dapat diamati dengan cara mengetahui grafik karakteristik transistor tersebut terlebih dahulu. Grafik hubungan IC/VCE dari suatu transistor dapat digunakan untuk mengetahui titik kerja transistor tersebut. Pada percobaan ini, transistor yang digunakan memiliki daerah kerja aktif ketika VCE > 1 V. • Tegangan Early dapat dihitung menggunakan rumus ketika telah diketahui grafik hubungan IC/VCE dari suatu transistor. Pengamatan yang didapat pada percobaan ini, tegangan Early akan turun ketika IC semakin besar untuk IB tertentu.

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

6

• Pada percobaan pengaruh bias pada penguat transistor, Rvar dapat digunakan untuk mengecek biasing yang terjadi pada suatu rangkiana transistor. Semakin besar Rvar, maka VCE akan semakin kecil. Namun VCE yang terlalu kecil dapat menyebabkan transistor memasuki titik kerja cut-off.

DAFTAR PUSTAKA [1]

Mervin T. Hutabarat, Praktikum Elektronika EL2205, STEI ITB, Bandung, 2020.

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

7...