EL2205_2_13213060

(1)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 1

MODUL I KARAKTERISTIK BJT

Rosana Dewi Amelinda (13213060) Asisten : Fiqih Tri Fathulah Rusfa (13211060)

Tanggal Percobaan: 17/2/2015 EL2205-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Abstrak Pada praktikum Modul II ini telah dilakukan

beberapa percobaan yang bertujuan agar dapat lebih

memahami karakteristik yang dimiliki transistor BJT.

Percobaan yang dilakukan antara lain mengamati kurva

karakteristik input Ic – Vbe dari transistor BJT. Lalu

selanjutnya dilakukan percobaan untuk mengamati kurva

karakteristik output transistor Ic – Vce dengan

menggunakan Peak Atlas DCA Pro. Kemudian dari kurva

yang didapat dilakukan perhitungan Efek Early dengan

mengambil sampel grafik dari dua nilai Arus basis (Ib) yang

berbeda. Terakhir yaitu dilakukan pengamatan pengaruh

bias pada penguat transistor dengan mengamati bentuk sinyal

output yang dihasilkan dari beberapa nilai Ib yang berbeda.

Dari ketiga nilai Ib yang digunakan akhirnya diketahui

bahwa transistor berada dalam kondisi aktif saat arus basis

bernilai sekitar 200 µA, kondisi cut-of saar nilai Ib 25µA,

serta dalam keadaan saturasi saat Ib bernilai 400 µA.

Kata kunci: Transistor, BJT, Saturasi, Early Effect

1. P

ENDAHULUAN

Dalam dunia elektonika, kita tentunya sudah tidak asing lagi dengan komponen elektronik yang satu ini. Adalah transistor yang merupakan salah satu komponen elektronika yang paling penting karena sering digunakan sebagai penguat, switching, modulasi sinyal dan berbagai fungsi lainnya. Transistor sendiri berfungsi sebagai keran listrik berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan outputnya (FET), yang memungkinkan pegaliran listrik yang sangat akuran dari sumber listriknya. Pada umumnya transistor memiliki 3 terminal, yaitu Basis (B), Emitor (E), dan Kolektor (C). Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya hanya terdapat dua tipe dasar transistor, yait Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Field- Effect Transistor (FET). Pada praktikum kali ini akan dibahas mengenai Transistor Bipolar (BJT). Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya mengguankan dua polaritas pembawa muatan : electron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewari satu daerah/lapisan pembatas yang dinamakan depletion zone. Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada

terminal basis dapat menghasilkna perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik.

Dari praktikum ini tujuan yang ingin dicapai yaitu :

a. Memahami karakteristik transistor BJT b. Memahami teknis bias dengan rangkaian

diskrit

c. Memahami teknik bias dengan sumber arus konstan

2. S

TUDI

P

USTAKA Transistot BJT

Terdapat dua jenis transistor berdasarkan jenis muatan penghantar listriknya, yaitu bipolar dan unipolar. Dalam hal ini akan dipelajari transistor bipolar, yaitu jenis NPN dan PNP. Simbol hubungan antara arus dan tegangan dalam transistor ditunjukan oleh gambar berikut ini. Gambar 1 Transistor BJT NPN

Gambar 2 Transistor BJT PNP

Terdapat suatu hubungan matematis antara besarnya arus kolektor (Ic), arus Basis (Ib), dan

(2)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 2 arus emitor (Ie), yaitu beta (β) = penguatan arus

DC untuk commonemitter, alpha (α) = penguatan arus untuk common basis, dengan hubungan matematis sebagai berikut

𝛽 =

𝐼𝑐

𝐼𝑏

dan 𝛼 =

𝐼𝑐 𝐼𝑒

Sehingga 𝛼 =

_𝛽+1𝛽

𝛽 =

_1−𝛼𝛼

Karakteristik sebuah transistor biasanya diperoleh dengan pengukuran arus dean tegangan pada rangkaian dengan konfigurasi common emitter (kaki emitter terhubung dengan ground), seperti ditunjukan pada gambar berikut

Gambar 3 Rangkaian dengan konfigurasi common emitter

Terdapat dua buah kurva karakteristik yang dapat diukur dari rangkaian diatas, yaitu :

 Karakteristik Ic – Vbe  Karakteristik Ic – Vce

Kurva karakteristik Ic – Vbe

Arus kolektor merupakan fungsi eksponensial dari tegangan Vbe, sesuai dengan persamaan :

𝐼𝑐 = 𝛼 𝐼𝐸𝑆 𝑒𝑉𝐵𝐸/𝜂𝑘𝑇 . Persamaan ini dapar

digambarkan sebagai kurva seperti ditunjukan pada gambar berikut.

Gambar 4 Kurva karakteristik Ic - Vbe

Dari kurva diatas uga diperoleh transkonduktansi dari transistor, yang merupakan kemiringan dari kurva diatas, yaitu 𝑔𝑚=

Δ𝐼𝑐 Δ𝑉𝑏𝑒

Kurva karakteristik Ic – Vce

Arus kolektor juga bergantung pada tegangan kolektor-emitor. Titik kerja (mode kerja) transistor dibedakan menjadi tiga bagian , yaitu daerah akif, saturasi, dan cut-off. Persyaratan kondisi ketigga mode kerja ini dapat dirangkum dalam table berikut ini.

Mode

I

C

V

CE

V

BE

V

CB

Bias

B-C

Bias B-E

kerja

Aktif

.I

B

V

BE

+V

CB

~0.7V 0

Reverse Forward

Saturasi

Ma

x

~ 0V

~0.7V -

Forwar

d

Forward

0.7V

<VCE

<0

Cut-Off

~ 0 V

BE

+V

CB

0

0 -

-

2.1 J

UDUL

S

UB

-

BAB

Sub-bab pada percobaan ini, yaitu :

a. Karakteristik input transistor Ic – Vbe b. Karateristik output transistor Ic – Vce c. Early effect

d. Pengaruh bias pada penguat transistor

3. M

ETODOLOGI

Pada percobaan 2 ini, alat dan bahan yang digunakan yaitu :

1. Sumber tegangan DC

2. Kit percobaan karakteristik transistor dan rangkaian bias

3. Sumber arus konstan 4. Multimeter (2 Buah) 5. Osiloskop

6. PEAK Atlas DCA Pro Memulai percobaan

(3)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 3 1. Karakteristik input transistor Ic – Vbe

Gambar 5 Rangkaian percobaan 1

2. Karateristik output transistor Ic – Vce Sebelum memulai percobaan, diisi dan ditanda

tangani lembar penggunaan meja yang tertempel pada masing-masing meja praktikum. Dicatat juga nomor meja Kit Praktikum yang digunakan

dalam BCL.

Dilakukan kalibrasi pada osiloskop

Diubah setting sinyal generator sehingga mengeluarkan : (pastikan dengna menyambungkannya ke osiloskop

ber-kopling DC)

a. Gelombang segitiga ~ 1kHz b. Ampiltuda sinyal 0.8 V

c. Set offset positif sehingga nilai minimum sinyall berada di titik nol (ground)

Disusun rangkaian seperti gambar 5

Dihubungkan :

a. Probe positif (+) Ch-1 (x) ke titik B b. Probe positif (+) Ch-2 ke titik C

c. Ground osiloskop ke titik A

Digunakan setting osiloskop :

- Skala X pada nilai 0.1 V/div dengan kopling AC - Skala Y pada nilai 1V/div dengan kopling DC, dan ditekan

tombol invertnya - Osiloskop pada mode X-Y

Ditempatkan tegangan X minimum pada garis grid paling kiri (nilai Vbe = 0).

Ditempatkan tegangan Y terkecil (minimum) pada garis grid kedua paling bawah (nilai Ic = 0). Apabila kurva tampak sebagai dua garis, naik atau turunkan frekuensi generator

sinyal hingga diperoleh kurva yang lebih baik.

(4)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 4 3. Early effect

(Dengan menggunakan hasil pengamatan grafik sebelumnya)

Gambar 6 Kurva Ic - Vce

4. Pengaruh bias pada penguat transistor Gambar 7 Rangkaian percobaan 4

Dinyalakan komputer dan disambungkan USB Power Atlas DCA ke komputer

Disambungkan kabel Atlas DCA Pro dengan kaki-kaki transistor BJT yang digunakan secara bebas (tidak

dipengaruhi warna)

Dibuka aplikasi DCA Pro yang tersedia di komputer

Dipastikan DCA Pro connected

Ditekan tombol test pada DCA Pro maupun pada jendela Peak DCA Pro.

Diperhatikan spesifikasi dan konfigurasi kaki-kaki BJT yang terbaca oleh alat Atlas DCA Pro.

Dibuka tab Graph BJT Ic/Vce, diatur pengaturan tracing Vcc 0-10V dengan point 11, Ib 25-100 µA

kemudian di klik Start. Ditunggu proces tracing.

Diamati grafik yang terbentuk, dicatat pada BCL dan dilakukan analisis

Disimpan dara tabulasi hasil sampling dengan klik kanan pada grafik dan pilih Save Data. Dibuka file .txt

yang terbentuk dan di copy seluruh data yang ada di dalam file tersebut dan di paste di spreadsheet.

Dipilih nilai arus basis (Ib) dari grafik kurva tracer yang kemiringan kurvanya cukup besar

Pada kurva Ic-Vce itu, dipilih dua titik koordinat yang mudah dibaca, dan masih dalam garis lurus. Dibaca dan dicatat nilai Ic dan Vce pada kedua titik tersebut.

Dihitung nila tegangan Early dengan persamaan berikut dan dicatat di BCL

Va =𝑉𝑐𝑒2 𝐼𝑐1 −𝑉𝑐𝑒1 𝐼𝑐2_{𝐼𝑐2 −𝐼𝑐1}

Dipilih nilai arus basis (Ib) yang lain, dan dilakukan langkah diatas untuk mengkonfirmasi nilai tegangan

(5)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 5 Mengakhiri Percobaan

4. H

ASIL DAN

A

NALISIS

4.1 P

ERCOB AAN

1 (K

ARAKTERISTIK INPUT TRANSISTOR

I

C

-

V

BE

)

Pada percobaan 1 dibuat sebuah rangkaian sederhana seperti pada gambar 5 dengan menggunakan transistor BJT 3904. Pada percobaan ini Rc minimum yang digunakan bernilai 88.7 Ω. Diubah setting sinyal generator sehingga

mengeluarkan gelombang sinusoid ~1kHz, Amplituda sinyal 50 mVpp, dan digunakan T konektor pada

terminal output.

Disusun rangkaian seperti pada gambar 7

Dihubungkan osiloskop rangkaian : Ch 1 (X) ke generator sinyal dengan kabel koaksial konektor

BNC-BNC, probe positif Ch-2 (Y) ke titik C, dan Ground osiloskop ke titik E.

Digunakan setting osiloskop : skala Ch-1 pada nilai 10 mV/div dengan kopling AC, skala Ch-2 pada nilai

1V/div dengan kopling AC, osiliskop pada mode waktu dengan skala horizontal 500 µS.div, serta titik

nol Ch-1 dan Ch-2 pada garis tengah layar.

Digunakna multimeter digital pada mode Volt-DC untuk mengukur tegangan dari Vce

Diset Ib pada 25 µA dan Rc minimum (sekitar 82 Ω)

Dibaca dan dicatat tegangan Vce kemudian digambarkan bentuk gelombang tegangan output Vce yang ditunjukan. Diamati adanya distorsi pada bentuk

gelombang output

Dari nilai Ib dan Ic yang terbaca, ditentukan letak titik kerja kondisi ini pada plot grafik Ic - Vce sebelumnya.

Diulangi langkah pertama samapai ketujuh diatas untuk nilai-nilai Ib : 200 µA dan 400 µA.

Diubah nilai Rc menjadi nilai maksimumnya (sekitar 5 kΩ) dan diulangi langkah pertama sampai kedelapan

diatas untuk nilai Rc ini

Diubah nilai Ib menjadi 150 µA. Diatur nilai Rc sehingga Vce yang terbaca di multimeter sekitar 5 V.

Diamati dan digambar bentuk tegangan yang terlihat di osiliskop. Dari nilai Ib dan Vce yang terbaca , ditentukan letak titik kerja kondisi ini pada plot grafik

Ic-Vce yang telah dibuat sebelumnya. Dengan memperhatikan titik kerja ini, dijelaskan mengapa

kondisi ini terjadi.

Dinaikkan amplituda input (dari generator sinyal) hingga tampak terjadi distorsi pada gelombang tegangan output (Vce). Dicatat besar amplituda input

dan digambarkan bentuk gelombang outputnya.

Dinaikkan lagi amplitdua input. Diamati apakah aplituda gelombang output masih bisa membesar,

dan dicatat nilai maksimum amplituda tersebut.

Selesai praktikum dirapikan semua kabel dan dimatikan osiloskop, generator sinyal serta dipastikan

juga multimeter analog, multimeter digital ditinggalkan dalam keadaan mati (selector

menunjukan ke pilihan off).

Dimatikan MCB dimeja praktikum sebelum meninggalkan ruangan.

Diperiksa lembar penggunaan meja.

DIpastikan asisten telah menandatangani catatan percobaan kali ini pada Buku Catatan Laboratorium.

(6)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 6 Berikut adalah plot kurva karakteristik yang

dihasilkan :

Gambar 8 Kurva karakteristik Ic – Vbe

Dari gambar diatas terlihat bahwa plot kurva yang dihasilkan menyerupai bentuk kurva persamaan eksponensial. Hal ini sesuai dengan rumus yang sudah diketahui sebelumnya yang menyatakan hubungan Ic dengan Vbe, yaitu :

𝐼𝑐 = 𝐼𝑠 𝑒𝑉𝑏𝑒/𝑉𝑇

Selain itu, dari grafik diatas kita juga dapat memperoleh nilai transkonduktansi dari transistor (gm) dengan menghitung kemiringan kurva :

𝑔𝑚 = Δ𝐼𝑐 Δ𝑉𝑐𝑒

4.2 P

ERCOBAAN

2 (K

ARAKTERISTIK OUTPUT TRANSISTOR

I

C

-

V

CE

)

Pada percoaan 2 ini dilakukan pengamatan karakteristik output dari transistor menggunakan Peak Atlas DCA Pro dan komputer yang tersedia di laboratorium. Berikut adalah tampilan kurva output yang dihasilkan pada layat monitor : Gambar 9 Plot kurva karakteristik Ic - Vce

Dari kurva diatas terlihat bentuk grafik Arus kolektor terhadap tegangan Kolektor-Emitor untuk nilai Ib yang berbeda-beda. Dari nilai Ib yang berbeda-beda tersebut dapat diamati tiga daerah kerja transiistor, yaitu daerah saturasi, daerah aktif, daerah cut-off.

Saat arus Ib semakin kecil hingga mendekati 0, tidak akan ada arus mengalir pada Ic disepanjang garis Vce (berapa pun nilai Vce). Pada kondisi ini

tidak ada arus yang mengalir sehingga transistor berada pada posisi cut-of. Daerah kedua yaitu daerah saturasi ketika hubungan Ic dengan Vbe mendekati linear. Daerah saturasi dan cut-off ini transistor dimanfaatkan sebagai switching. Daerah ketiga yaitu daerah aktif yang merupakan daerah penguatan. Daerah aktif terjadi ketika hubungan Ic dengan Ib mendekati linear dan tidak diperngaruhi Vce. Pada daerah aktif ini transistor berfungsi sebagai penguat (amplifier).

Pada daerah aktif didapatkan hubungan Ic dan Ib mendekati linear. Hal tersebut dapat terlihat pada grafik bahwa ketika Ib sangat besar (garis kurva paling kiri), semakin besar pula nilai Arus kolektornya. Hal ini sesuai dengan rumus yang menyatakan bahwa Ic dan Ib berbanding lurus (linear) :

𝐼𝑐 = 𝛽. 𝐼𝑏

4.3 E

ARLY EFFECT

Berdasarkan kurva karakteristik Ic- Vce yang didapatkan pada percobaan 2, selanjutnya diambil sampel kurva berwarna Magenta (Ib = 56.7 µA) dan Salmon (Ib = 46.1). Dari kedua kurva tersebut diambil garis lurus sepanjang sumbu x sehingga akan diperoleh nilai efek earlynya (Va). Efek early masing - masing kurva dihitung dengan menggunakan rumus :

𝑉𝐴=

𝑉𝐶𝐸2𝐼𝐶1− 𝑉𝐶𝐸1𝐼𝐶2

𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶1

Data yang didapat adalah sebagai berikut : No Ib = 56.7 µA Ib = 25 µA

Vce (V) Ic (mA) Vce (V) Ic (mA) 1 1.673085 10.92622 5.673457 5.058323 2 2.666702 11.14445 6.628855 5.109956 Sehingga dengan menggunakan rumus diatas dan dengan memasukan nilai pada tabel maka didapatkan besar Va untuk arus basis sebesar 56.7 µA adalah 48.07581 V dan Va untuk arus basis 25 µA adalah 87.92323.

Perbedaan yang terjadi pada nilai efek early ini kemungkinan disebabkan beberapa faktor diantaranya perubahan suhu. Pada saat awal (sebelum digunakan), transisrot memiliki suhu yang sama dengan suhu ruangan. Namun setelah digunakan untuk percobaan 2, transistor menjadi panas (mengalami kenaikan suhu). Dengan adanya kenaikan suhu ini maka berpengaruh pada nilai Ic dan tegangan Vce yang diukur.

(7)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 7

4.4 P

ENGARUH BIAS PADA PENGUAT

TRANSISTOR

Pada percobaan 4 ini digunakan rangkaian seperti pada percobaan 1 namun dengan penambahan komponen sumber arus dan kapasitor pada node B. Lalu nilai sumber tegangan DC yang digunakan juga diturunkan yang awalnya 10 V menjadi 9 V. Lalu dilakukan pengamatan sinyal output dengan menggunakan variasi nilai sumber arus dan Rc. Rc minimum bernilai 88.7 Ω dan Rc maksimum bernilai 5.62 kΩ. Berikut tampilan sinyal input-output yang dihasilkan :

Table 1 Tampilan sinyal input-output No Sinyal Input-Output (Rc minimum) Sinyal Input-Output (Rc maksimum) 1 Ib = 25 µA Vce = 8.67 V Vbe =0.542 V Ib = 25 µA Vce = 2.88 V Vbe = 0.58 V 2 Ib = 200 µA Vce = 5.84 V Vbe = 0.662 V Ib = 200 µA Vce = 70.9 mV Vbe = 0.64 V 3 Ib = 400 µA Vce = 4.91 V Vbe = 0.692 V Ib = 400 µA Vce = 44 mV Vbe = 0.67 V

Apabila diamati data pada tabel, dapat dilihat bahwa saat Ib semakin besar, nilai tegangan colector-emitor menjadi semakin kecil. Hal ini dapat diketahui dari hubungan Ib dan Ic berikut :

Ib + Ic = Ie

Sehingga saat arus base semakin besar (dari 25 µA hingga 400 µA) maka arus emitor juga akan semakin besar yang menyebabkan tegangan kolektor-emitor menjadi turun (semakin kecil). Pemberian bias tegangan dc pada rangakaian transistor bertujuan untuk mendapatkan level tegangan dan arus kerja transistor yang tetap. Dalam penguat transistor, level tegangan dan arus yang tetap tersebut akan menempatkan suatu titik kerja pada kurva karakteristik sehingga menentukan daerah kerja transistor.

Dari ketiga variasi Ib yang digunakan, diperoleh bahwa transistor berada dalam keadaan aktif saat arus basenya sebesar 200 µA karena saar mode aktif Vbe bernilai ~0.7 V. Hal ini sesuai dengan tegangan Vbe untuk Ib 200 µA saat Rc minimum. Saat kondisi saturasi yaitu ketika Ib bernilai 400 µA karena saat Vbe nya mendekati 0.7 V (saat Rc minimum) dan Vbc ~0.5 V. Pengaruh bias untuk transistor mode saturasi yaitu Sedangkan mode cut-off adalah ketika Ib sebesar 25 µA karena Vbe nya kurang dari 0.7 V (saat Rc minimum).

Dari data pada tabel 1 juga dapat diketahui besarnya arus pada kolektor untuk setiap kondisi.

𝐼𝑐 =9 − 𝑉𝑐𝑒 𝑅𝑐

Rc minimum (88.7 Ω) Rc maksimum (5.62 kΩ Ib 25

µA Ib 200 µA Ib 400 µA Ib 25 µA Ib 200 µA Ib 400 µA Ic

(mA)

3.72 0.035 0.046 1.088 1.588 1.593

Saat Ib diatur sebesar 150 µA dan Vce sekitar 5 V, bentuk sinyal output yang dihasilkan adalah sebagai berikut :

(8)

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB 8 Gambar 10 Sinyal saat Vce 5 V

Besarnya resistansi Rc yang diperoleh untuk tegangan Vce sebesar 5 V adalah sekitar 112 Ω. Sehingga arus kolektornya yaitu

Ic = (9 – 5)/112 Ic = 0.035 A

Dengan nilai Ic dan tegangan Vce yang diketahui sebesar 5 V maka dapat dikatakan bahwa kondisi ini merupakan kondisi aktif transistor .

Gambar 11 Kurva distorsi gerlombang output

Gambar diatas merupakan hasil distorsi (minimal/yang paling sedikit) yang terjadi pada gelombang tegangan input (Vce). Besar amplitudanya adalah 6.3 V. Apabila amplituda dinaikkan maka distorsi yang tejadi akan semakin besar. Namum batas maksimum terjadinya distorsi yaitu hingga amplituda mencapai 9 V yang merupakan besarnya tegangan input dc. Sehingga dapat dikatakan bahwa distorsi yang terjadi tidak akan melebihi tegangan inputnya.

5. K

ESIMPULAN

Dari percobaan didapatkan kesimpulan :

 Karakteristik input transistor untuk arus kolektor dengan tegangan base-emitor menunjukan hubungan ekponensial sesuai dengan rumus Ic = Is.eVbe/VT_{. Lalu nilai}

transkonduktansi (gm) transistor dapat diketahui dengan mengukur kemiringan kurva Ic-Vbe.

 Dari kurva karakteristik output transistor Ic – Vce dapat dibagi menjadi 3 daerah kerja transistor yaitu daerah saturasi, daerah aktif dan daerah cut-off. Transistor

berfungsi sebagai penguat (amplifier) saat berada pada kondisi aktif. Sedangkan pada daerah saturasi terjadi hubungan yang mendekati linear antara Ic dengan Vce. Lalu hampir tidak ada arus yang mengalir apabila transistor berada pada keadaan cut-off.

 Efek Early dapat dicari dengan pendekatan linear. Yaitu dengan menarik garis sepanjang sumbu x dari kemiringan kurva. Namun nilai efek early yang didapatkan pada percobaan ini kurang akurat yang diduga disebabkan karena perubahan suhu yang dialami transistor.  Saat arus Ib sebesar 400 µA, transistor

berada pada kondisi saturasi. Lalu saat Ib sebesar 200 µA, transistor berada pada kondisi akif. Serta pada kondisi cut-off yaitu ketika Ib sebesar 25 µA.

 Distorsi terjadi saat Vce mulai dari 6.3 V hingga tegangan mencapai 9 V (tegangan dc-nya).

D

AFTAR

P

USTAKA