Teori Transistor, Jenis, Simbol, Fungsi dan Karakteristik

Teori Transistor

Termasuk dalam komponen semikonduktor aktif adalah transistor, Transistor sebenarnya kepanjangan dari Transfer dan Varistor. Mengenal karakteristiknya transistor terbagi dua kategori ialah  Bipolar Junction Transistor (BJT)  dan Unipolar Transistor. Kerja transistor pada dasarnya difungsikan sebagai saklar elektronik (Switching) dan penguat sinyal (Amplifier).

Sekitar tahun 1947an, Tiga orang ilmuwan fisika asal Amerika yaitu William Shockley beserta rekannya John Barden, dan W. H Brattain yang tergabung sebagai peneliti pada sebuah laboratorium milik perusahaan AT&T Bell, merekalah yang berhasil pertama kali menemukan Transistor.  

Transistor adalah nama yang diberikan oleh ilmuwan John Robinson karena sifat kerjanya komponen ini yang dapat menghantarkan energi dengan kekuatan daya hantar dapat ditentukan dengan cara mengatur nilai tahanan pada bias pengontrolnya. Pernyataan ini sesuai dengan kepanjangan kata dari transistor yaitu Transfer (Pemindahan) dan Varistor (Variable Resistor).

Dan sekitar tahun 1958an, komponen transistor mulai digunakan pada rangkaian elektronik dalam projek-projek penelitian para ilmuwan tersebut.

 Jenis dan Simbol Transistor

1. Bipolar Junction Transistor (BJT)

Bi artinya dua dan Polar asal kata dari polarity yang artinya polaritas, dengan kata lain bipolar junction transistor (BJT) adalah jenis Transistor yang memiliki dua polaritas yaitu hole (lubang) atau elektron sebagai carier (pembawa) untuk menghantarkan arus listrik. Prinsip dasar konstruksinya disusun seperti dari dua buah dioda yang disambungkan pada kutub yang sama yaitu Anoda dengan anoda sehingga menghasilkan transistor jenis NPN atau Katoda dengan katoda yang menjadi transistor jenis PNP. kaki pada transistor BJT ada 3 yaitu kaki Basis sebagai titik pertemuan dua dioda dan dua kaki lainnya adalah kolektor dan emiter. Perhatikan gambar berikut:

Simbol Transistor Bipolar

Konstruksi sambungan pada transistor BJT terdiri dari 2 lapisan penyangga atau sering disebut depletion layer, lapisan penyangga pertama yaitu antara kaki basis dan kolektor dan yang kedua lapisan penyangga antara basis dan emiter. Untuk membuat sambungan antara basis dengan emiter maka lapisan penyangga dibuat lebih tebal dibanding dengan lapisan penyangga untuk sambungan kolektor dan basis, tetapi ketebalan masing-masing lapisan ini dapat berubah sesuai besar arus pada yang diberikan pada kaki basis.

Seperti kita ketahui bahwa komponen dioda memiliki tegangan drop, itu juga terjadi untuk transistor, dimana tegangan drop ini tergantung dari bahan semikonduktor yang digunakan. umumnya untuk transistor berbahan silicon memiliki tegangan drop 0,7V. Tegangan drop ini adalah minimal tegangan yang bisa menembus lapisan penyangga pada transistor. Transistor BJT bekerja berdasarkan besar arus pada kaki basis sebagai biasnya, semakin besar arus bias pada kaki basis maka semakin besar juga arus yang dapat dihantarkan antara emiter ke kolektor..

Jika dijadikan sebagai rangkaian penguat atau amplifier, ada 3 konfigurasi rangkaian dasar penguatan transistor antara lain:

1. Rangkaian penguat basis bersama (Common base), pada konfigurasi ini tegangan yang akan diperkuat.
2. Rangkaian penguat kolektor bersama (Common Colector), Arus yang akan diperkuat pada konfigurasi ini.
3. Rangkaian emiter bersama (Common eiter), Konfigurasi ini akan menghasilkan penguatan arus dan tegangan.

Artikel lainnya akan membahas lebih detail dari masing-masing konfigurasi rangkaianb diatas.

2. Unipolar Junction Transistor (UJT)

Uni artinya satu Polar artinya polaritas. Pada transistor UJT hanya satu polaritas saja yang dijadikan carier/pembawa muatan arus listrik, yaitu elektron saja atau hole/lubangnya saja, tergantung dari jenis transistor UJT tersebut. Karena prinsip kerjanya transistor ini berdasarkan dari efek medan listrik, maka transistor UJT lebih dikenal dengan nama FET (Field Efect Transistor) atau Transistor Efek Medan. Sama seperti transistor Bipolar FET juga memiliki 3 kaki tetapi dengan nama yang berbeda yaitu Gate (G) seperti basis pada transistor BJT, Drain (D) seperti koleltor dan Source (S) seperti emiter . .

Simbol Field Efect Transistor (FET)

Berbeda dengan BJT, Arus Output pada kaki Drain ini dikontrol oleh besar tegangan pada kaki gate, Perubahan besar tegangan pada gate akan merubah besar arus pada kaki drain, efek membesar atau mengecilnya arus pada kaki drain ini ditentukan oleh konstruksi FETnya. FET dibagi dua jenis yaitu kanal P seperti BJT jenis NPN  dan FET kanal N seperti BJT jenis PNP, dan keluarga FET  yang sering digunakan yaitu JFET kepanjangan dari Junction-Field Efect Transistor dan MOSFET kepanjangan dari Metal Oxide Semiconductor-Field Efect Transistor . Cara kerja mosfet ada dua model dan ini ditentukan oleh konstruksinya yaitu Enhancement mode (mode penebalan) dan Depletion mode (mode penipisan), sedangkan cara kerja JFET hanya pada mode Depletion saja.

Untuk penjelasan masing-masing jenis FET dibahas pada artikel lain secara detail..

Karakteristik Transistor

Transistor bipolar dan Unipolar memiliki perbedaan karakteristik dari cara kerjanya, Ada kekurangan dan kelebihan dari keduanya.. Perbedaan tersebut dapat dilihat dari tabel karakteristik transistor dibawah ini:

Karakteristik Transistor

Cara kerja  J-FET dan cara kerja  MOSFET juga berbeda, dilihat dari tabel dibawah ini.

Cara Kerja FET

Dari tabel diatas dapat dijelaskan sebagai berikut:

• Pada FET dengan mode penebalan atau enhancement modes, Jika tegangan pada Gate bukan (0V) maka kondisi FET sama dengan "OFF" atau seperti switch yang terbuka, danFET akan "ON" seperti switch tertutup jika tegangan pada Gate diberi  (+V) untuk kanal-N. Dan proses sebaliknya terjadi untuk FET dengan jenis kanal-P

• Sebaliknya pada FET deplestion mode (mode penipisan), jika gate tegangannya bukan (0V) maka FET pada kondisi "ON" (close switch). Dan akan "OFF" (close switch) jika tegangan untuk Gate diberi polaritas negatif (-V) prose ini berlaku untuk jenis FET kanal-N dan proses sebaliknya untuk FET jenis kanal-P

Rangkaian LR Seri

Rangkaian Induktor

induktor ideal adalah  yang tidak memiliki resistansi atau kapasitansi pada gulungan koilnya, arus yang mengalir melalui induktor ini tidak berubah seketika, tetapi nilai arus naik bertahap secara konstan yang ditentukan oleh induksi diri emf dalam induktor.

Tetapi dalam kenyataannya koil atau kumparan  selalu memiliki nilai resistansi sekecil apapun dikarenakan dari lilitan kawat tembaga yang digunakan akan memiliki sifat resistif.

Untuk simulasi nilai induktansi "L" dengan nilai resistansi "R"  dalam koil, maka dibuat sebuah rangkaian seri L dan R. Hambatan R merupakan nilai resistif DC dari lilitan kawat yang ada dalam sebuah lilitan. Perhatikan contoh rangkaian dibawah ini :

Rangkaian Induktor

Dari gambar diatas sebuah rangkaian RL dihubungkan dengan sumber tegangan DC yang melewati saklar on/off, dimana pada saat saklar ditutup arus mengalir melalui rangkaian tetapi arus tidak naik cepat ke nilai arus maksimum (Imax), dikarenakan rasio dari tegangan dan hambatan V/R (hukum Ohm). 

Hal ini terjadi karena adanya induksi diri emf dalam induktor sebagai efek dari pertumbuhan fluks magnetik. setelah transisi waktu dari nilai tegangan menetralkan efek dari induksi diri emf, arus yang mengalir menjadi knonstan dan medan induksi di reduksi menjadi nol.

kita dapat menggunakan hukum kirchop (Kirchop Voltage Law / KVL), untuk menentukan nilai tegangan pada setiap titik dalam rangkaian, sehingga hasilnya dapat diekpresikan untuk mengetahui nilai arus yang mengalir pada setiap titik pada rangkaian dengan hukum ohm.

Hukum Kirchop :

V(t) = VR + VL = 0

Tegangan pada resistor dapat dengan hukum ohm sebagai berikut : 

VR = I x R

tegangan pada induktor dapat dihitung dengan rumus :

VL = L x (di/dt)

persamaan akhir dari kedua rumus diatas adalah sebagai berikut :

V(t) = (I x R) + {L x (di/dt)}

Dari persamaan diatas kita dapat pahami bahwa tegangan jatuh pada resistor  tergantung dari arus, sedangkan tegangan pada induktor tergantung dari laju perubahan arus (di/dt), sehingga nilai arus pada setiap konstanta waktu berlaku  persamaan sebagai berikut :

I(t) = (V/R) x (1-e^-Rt/L)

dimana :

V = Tegangan (Volt), R = Resistansi (Ohm), L = Induktansi (Henry), 

t = waktu (detik), e = Logaritma dasar = 2,71828

persamaan diatas adalah konstanta waktu dari rangkaian RL dan V/R juga merupakan nilai maksimum steady state arus pada rangkaian RL. setelah arus mencapai nilai maksimum (steady state) pada 5 konstanta waktu (5t), nilai induktansi dari kumparan telah berkurang menjadi nol. Keadaan ini diibaratkan seperti hubungan pendek (short circuit) maka pada saat ini induktansi akan dianggap nol. sehingga arus yang mengalir hanya dibatasi oleh nilai resistif dari kumparan. Grafik pertumbuhan tegangan terhadap waktu dapat di gambarkan sebagai berikut :

Grafik Konst Waktu Rangkaian Induktor

Karena tegangan jatuh pada resistor (VR) sama dengan IxR (Hukum Ohm), maka akan tumbuh secara eksponensial yang sama dengan bentuk arus. Namun, jatuh tegangan induktor, VL akan memiliki nilai yang sama dengan Ve (-Rt / L). dan tegangan induktor (VL) akan memiliki nilai awal sama dengan tegangan baterai pada saat t = 0 atau ketika saklar ditutup dan kemudian menurun secara eksponensial ke nilai nol seperti yang digambarkan dalam kurva di atas.

Waktu yang diperlukan untuk arus yang mengalir dalam rangkaian seri LR untuk mencapai nilai steady state maksimum setara dengan sekitar 5 konstanta waktu atau 5τ. Satu konstanta diukur dengan T = L / R, dengan satuan detik. R adalah nilai resistor dalam ohm dan L adalah nilai dari induktor di Henries. Hal ini kemudian menjadi dasar dari rangkaian pengisian RL yang 5τ juga dapat dianggap sebagai "5 x L / R" atau waktu transisi rangkaian.

Transisi waktu dari rangkaian Induktif ditentukan oleh induktansi dan perlawanan arus. jika nilai resistansi dinaikan maka transisi waktu dalam rangkaian akan menjadi lebih pendek. Hal ini terjadi karena meningkatnya nilai resistansi, rangkaian menjadi lebih resistif sehingga nilai induktansi menjadi diabaikan dibanding dengan resistansi. jika nilai resistansi meningkat cukup besar dibanding dengan induktansi, transisi waktu menjadi lebih efektif berkurang bahkan mencapai nilai nol.

Contoh  Soal :
Sebuah induktor / koil memiliki induktansi 100mH dengan resistansi sebesar 10 ohm diberikan tegangan sebesar 12V, maka dapat diperoleh perhitungan sebagai berikut :

a. Arus maksimum (steady state current) :

I = V/R = 12/10 =1,2A

b. Konstanta waktu :

t = L/R = 0,1/10 = 1,01s atau 10ms

c. Waktu Transisi :

5t = 5 x 0,01 = 50ms

d. nilai induksi diri emf setelah 10 detik :

e. Arus yang mengalir pada satu konstanta waktu saat switch di on :

I(t) = (V/R) x (1-e^-Rt/L)

karena konstanta waktu seperti persamaan b adalah 10ms, maka nilai arus adalah :

Filter Kapasitor Pada Power Supply

Filter Kapasitor

Seperti yang telah kita ketahui bentuk Tegangan DC murni adalah rata tanpa ripple, tetapi untuk power supply dengan input transformator (trafo), sinyal DC  yang dihasilkan oleh rangkaian dioda penyearah masih berbentuk ripple yang sangat besar. Untuk mendapatkan sinyal tegangan DC yang rata (low ripple), maka perlu dipasang kapasitor sebagai filter (smoothing) sehingga ripple tegangan yang dihasilkan akan sangat kecil sekali mendekati sinyal DC murni.Kapasitor yang umum digunakan sebagai filter ripple adalah jenis Elektrolit Kondensator (ELKO).

Ada dua hal Penting yang harus diperhatikan saat memilih kapasitor yang akan digunakan sebagai filter yaitu tegangan kerja yang harus lebih tinggi dari tegangan supply dan nilai kapasitansi yang menentukan besar ripple yang dihasilkan pada tegangan DC.Semakin kecil nilai kapasitansi maka tidak terlalu berpengaruh terhadap perubahan ripple DC yang dihasilkan, dan sebaliknya semakiin besar nilai kapasitansi maka ripple DC akan semakin halus mendekati DC murni.

Besarnya ripple tegangan DC yang dihasilkan dari sebuah rangkaian power supply trafo ditentukan oleh besarnya nilai filter kapasitor, arus beban dan frekuensi, sehingga untuk menghitung nilai kapasitor dapat digunakan persamaan seperti dibawah ini:

Vripple = Iload/(FxC)

dimana : V = tegangan ripple, I = arus beban, F = Frekuensi dan C = nilai kapasitansi

Besarnya nilai frekuensi untuk rangkaian penyearah gelembong penuh adalah sama dengan frekeunsi input dari trafo 50Hz atau 60Hz, dan untuk penyearah dioda bridge adalah dua kali lipat frekuensi input 100Hz (untuk frekuensi input 50Hz) atau 120Hz (untuk frekuensi input 60Hz).

Untuk mendapatkan ripple tegangan DC yang sangat halus dan sangat mendekati murni, dapat dipakai rangkaian filter π (filter pi) atau low-pass filter yang terdiri dari 2 buah kapasitor nilai yang sama dan sebuah induktor (lilitan) yang dipasang diantara kapasitor.

Rangkaian Dioda Penyearah (Rectifier)

Arus sinyal AC yang berbentuk sinusiodal yang dilewatkan melalui sebuah dioda akan disearahkan menghasilkan sinyal positif saja atau sinyal negatif saja yang dinamakan sinyal DC bergelombang. Sinyal AC yang dihasilkan dari sebuah dioda hanya setengahnya saja tergantung dari arah dioda yang dipasang, jika sinyal input AC masuk pada kaki anoda maka sinyal keluaran dari katoda hanya bagian positifnya saja begitu juga sebaliknya, sehingga jika dibutuhkan sinyal output penuh diperlukan dua buah dioda yang diberi input dari dua sinyal AC yang berbeda phasa 180⁰.  Itulah prinsip dasar dari rangkaian dioda penyearah (rectifier).

Penyearah Setengah Gelombang (Half Wave Rectifier)

Penjelasan dari contoh gambar diatas adalah penyearahan sinyal AC menjadi sinyal setengah gelombang. Karena bagian positif anoda pada dioda dijadikan sebagai inputnya maka hanya sinyal AC bagian positifnya saja yang akan dilewatkan oleh dioda, sedangkan bagian negatifnya akan ditahan. Istilah untuk gambar diatas adalah rangkaian penyearah setengan gelombang atau dalam bahasa asing dinamakan Half Wave Rectifier.

Tegangan output dari sebuah dioda penyearah dapat dihitung dapat diketahui Nilainya dengan menggunbakan rumus Vmax x 0,318 atau Vrms x0,45, bentuk persamaan tersebut dapat digambarkan sebagai berikut :

Dimana Vmax adalah nilai maksimum dari puncak tegangan dan Vrms adalah rata-rata tegangan DC yang dihasilkan. Karena tegangan yang disearahkan hanya setengan gelombang (50% dari teganagan sinusoidalnya), maka tegangan Vmax adalah sama dengan tegangan input dikurangi tegangan drop dioda kemudian dikalikan 50%. Dan VRMS (Root Mean Sequared) adalah rata-rata tegangan DC dari magnitude tegangan AC sinusoidal , nilai tegangan RMS adalah 0,707 x tegangan puncak maksimum (Vmax. Persamaan umum dari pernyataan tersebut saya contohkan soal berikut ini :

CONTOH SOAL

Rangkaian penyearah setengah gelombang yang dibuat dari dioda silikon di berikan tegangan input sebesar 48V. diberikan tahanan beban (R) sebesar 10ohm, hitunglah nilai tegangan DCnya (VDC) dan arus DCnya (IDC) dan daya yang mengalir pada beban (R) outputnya.

Penyelesaian :   

Vmax = (Vin - 0,7) x 50% = (48 - 0,7) x 50% = 23,3V

Vrms = Vmax x 0,7071 = 23,3 x 0,7071 = 16,475V

persamaan lain untuk Vmax jika Vrms diketahui:

Vmax = Vrms x 1,414 = 16,475 x 1,414 = 23,3V

Vdc = Vrms x 0,45 = 16,475 x 0,45 = 7,4V

atau

Vdc = Vmax x 0,318 = 23,3 x 0,318 = 7,4V

Idc = Vdc/R = 7,4/10 = 0,74A

P = I x V = 0,74 x 7,4 = 5,476W
atau
P = I² x R = 0,74² x 10 = 5,476W

Kelemahan rangkaian dioda penyearah setengah gelombang hanya dapat diaplikasikan untuk daya rendah. Hal ini karena daya yang dihasilkan hanya setengah dari daya input.

Penyearah Gelombang Penuh (Full Wave Rectifier)

diperlukan dua buah dioda untuk membuat rangkaian dioda penyearah gelombang penuh, seperti contoh diatas setengan gelombang bagian positif akan dihasilkan oleh setiap dioda, sehingga tegangan outputnya adalah 100% yaitu gabungan penjumlahan setengah phasa positipnya, sehingga rata-rata tegangan keluaran DC yang mengalir pada resistor beban adalah dua kali lipat dari rangkaian penyearah tunggal atau menjadi 0,637 x Vmax. Sehingga diperoleh persamaan dasar sebagai beikut :

Vdc = (2xVmax) / π   =  0,637 x Vmax  = 0,9 x Vrms

Dimana; Vmax adalah nilai puncak dari satu dioda penyearah.

Penyearah Bridge Gelombang Penuh (Bridge Rectifier)

Jika dibutuhkan tegangan positif dan juga sinyal negatif dengan sinyal penuh, maka diperlukan rangkaian penyearah dengan 4 buah dioda yang saling terhubung secara tertutup. Rangkaian tersebut dikenali dengan nama dioda dengan sistem jembatan atau sering disebut dioda bridge. Rangkain jenis ini sangat berguna untuk pemakain pada jenis trafo yang tidak ada Center Tape (CT). Perhatikan gambar dibawah ini:

Tegangan output dari rangkaian Bridge ini adalah tegangan positif dan tegangan negatif, dimana pada contoh rangkaian diatas tegangan positif (+) diperoleh dari dioda D1 dan D2 dan tegangan negatif (-) dihasilkan oleh dioda D3 dan D4 dengan sistem penyearahan gelombang penuh.

D1 dan D2 akan melewatkan gelombang arus positifnya karena posisi diodanya forward bias (arus maju), sedangkan D3 dan D4 hanya akan melewatkan gelombang arus negatifnya saja karena posisi dioda tersebut reverse bias.

Frekuensi output pada rangkaian penyearah Bridge adalah 2x frekuensi input, contoh jika frekeunsi dari trafo sebesar 50Hz maka frekuensi output adalah 100Hz, tetapi jika menggunakan trafo CT besarnya frekuensi dari masing masih phasa terhadap CT adalah sama seperti frekuensi input.