Karakteristik Transistor NPN

Transistor NPN adalah perangkat tiga-terminal, tiga-lapisan yang dapat berfungsi sebagai penguat (amplifier) atau sakelar elektronik.

Dalam tutorial sebelumnya kita melihat bahwa Transistor Bipolar (BJT), datang dalam dua bentuk dasar. Jenis NPN ( Negative-Positive-Negative) dan jenis PNP (Positif-Negative-Positive).

Konfigurasi transistor yang paling umum digunakan adalah Transistor NPN. Kami juga belajar bahwa persimpangan (junction) transistor bipolar dapat menjadi bias dalam salah satu dari tiga cara yang berbeda – Common Base, Common Emitter dan Common Collector.

Dalam tutorial ini tentang transistor bipolar kita akan melihat lebih dekat pada konfigurasi “Common Emitter” menggunakan Transistor Bipolar NPN dengan contoh konstruksi transistor NPN bersama dengan karakteristik aliran arus transistor yang diberikan di bawah ini.

Konfigurasi Transistor NPN Bipolar

(Catatan: Panah mendefinisikan Emitter dan aliran arus konvensional, “keluar” untuk Transistor NPN Bipolar.)

Tegangan konstruksi dan terminal untuk transistor NPN bipolar ditunjukkan di atas. Tegangan antara Base dan Emitter ( V_BE ), positif di Base dan negatif di Emitter karena untuk transistor NPN, terminal Base selalu positif sehubungan dengan Emitter. Tegangan supply Collector juga positif sehubungan dengan Emitter ( V_CE ). Jadi untuk transistor NPN bipolar untuk menjalankan Collector selalu lebih positif terhadap Base dan Emitter.

Kemudian sumber tegangan dihubungkan ke transistor NPN seperti yang ditunjukkan. Collector terhubung ke tegangan supply V_CC melalui resistor beban, RL yang juga bertindak untuk membatasi arus maksimum yang mengalir melalui perangkat. Supply tegangan Base V_B terhubung ke resistor Base R_B, yang lagi digunakan untuk membatasi arus Base maksimum.

Jadi dalam Transistor NPN itu adalah pergerakan pembawa arus negatif (elektron) melalui daerah Base yang merupakan tindakan transistor, karena elektron seluler ini menyediakan hubungan antara rangkaian Collector dan Emitter. Hubungan antara rangkaian input dan output ini adalah fitur utama dari aksi transistor karena sifat penguat transistor berasal dari kontrol konsekuen yang diberikan Base pada arus Collector ke Emitter.

Kemudian kita dapat melihat bahwa transistor adalah perangkat yang dioperasikan arus (model Beta) dan bahwa arus besar ( Ic ) mengalir dengan bebas melalui perangkat antara Collector dan terminal Emitter ketika transistor diaktifkan “sepenuhnya-ON”. Namun, ini hanya terjadi ketika arus biasing kecil ( Ib ) mengalir ke terminal Base transistor pada saat yang sama sehingga memungkinkan Base untuk bertindak sebagai semacam input kontrol arus.

Arus dalam transistor NPN bipolar adalah rasio dari dua arus ini ( Ic/Ib ), yang disebut perangkat Gain Arus DC dan diberi simbol HFE atau saat ini Beta, ( β ).

Nilai β dapat besar hingga 200 untuk transistor standar, dan rasio besar antara Ic dan Ib inilah yang membuat transistor NPN bipolar menjadi perangkat penguatan yang berguna ketika digunakan di wilayah aktifnya karena Ib memberikan input dan Ic menyediakan output. Perhatikan bahwa Beta tidak memiliki unit karena ini adalah rasio.

Juga, gain arus transistor dari terminal Collector ke terminal Emitter, Ic/Ie, disebut Alpha, ( α ), dan merupakan fungsi dari transistor itu sendiri (elektron berdifusi melintasi persimpangan). Karena arus Emitter Yaitu jumlah arus Base yang sangat kecil ditambah arus Collector yang sangat besar, nilai alfa ( α ), sangat dekat dengan persatuan, dan untuk transistor sinyal daya rendah ideal nilai ini berkisar dari sekitar 0.950 hingga 0.999

Hubungan α dan β dalam Transistor NPN

Dengan menggabungkan dua parameter α dan β kita dapat menghasilkan dua ekspresi matematis yang memberikan hubungan antara arus berbeda yang mengalir dalam transistor.

Nilai Beta bervariasi dari sekitar 20 untuk transistor daya arus tinggi hingga lebih dari 1000 untuk transistor bipolar tipe daya rendah frekuensi tinggi. Nilai Beta untuk sebagian besar transistor NPN standar dapat ditemukan di lembar data manufaktur tetapi umumnya berkisar antara 50 – 200.

Persamaan di atas untuk Beta juga dapat diatur ulang untuk menjadikan Ic sebagai subjek, dan dengan arus Base nol ( Ib = 0 ) arus Collector yang dihasilkan Ic juga akan menjadi nol, ( β*0 ). Juga ketika arus Base tinggi, arus Collector yang sesuai juga akan tinggi sehingga arus Base mengendalikan arus Collector. Salah satu sifat terpenting dari Transistor Bipolar adalah bahwa arus Base kecil dapat mengontrol arus Collector yang jauh lebih besar. Perhatikan contoh berikut.

Baca Juga

Contoh: Transistor NPN No.1

Transistor NPN Bipolar memiliki gain arus DC, ( Beta ) nilai 200. Hitung arus Base Ib yang diperlukan untuk mengganti beban resistif 4mA.

Oleh karena itu, β = 200. Ic = 4mA dan Ib = 20μA.

Satu hal lagi yang perlu diingat tentang Transistor NPN Bipolar. Tegangan Collector, ( Vc ) harus lebih besar dan positif sehubungan dengan tegangan Emitter, ( Ve ) untuk memungkinkan arus mengalir melalui transistor antara persimpangan Collector-Emitter. Juga, ada penurunan tegangan antara Base dan terminal Emitter sekitar 0.7V (satu drop volt dioda) untuk perangkat silikon karena karakteristik input Transistor NPN adalah dioda forward bias.

Maka tegangan Base, ( Vbe ) dari transistor NPN harus lebih besar dari 0.7V ini jika tidak, transistor tidak akan berjalan dengan arus Base yang diberikan.

Di mana: Ib adalah arus Base, Vb adalah tegangan bias Base, Vbe adalah penurunan volt Base-Emitter (0.7v) dan Rb adalah resistor input Base. Meningkatkan Ib, Vbe perlahan-lahan meningkat menjadi 0.7 V tetapi Ic naik secara eksponensial.

Contoh: Transistor NPN No.2

Transistor NPN memiliki tegangan bias Base DC, Vb 10v dan resistor Base input, Rb 100kΩ. Apa yang akan menjadi nilai arus Base ke dalam transistor.

Oleh karena itu, Ib = 93μA.

Konfigurasi Common Emitter

Selain digunakan sebagai sakelar semikonduktor untuk mengubah arus beban “ON” atau “OFF” dengan mengendalikan sinyal Base ke transistor baik di daerah jenuh atau terputus, Transistor NPN Bipolar juga dapat digunakan di wilayah aktifnya untuk menghasilkan rangkaian yang akan memperkuat sinyal AC kecil apa pun yang diterapkan ke terminal Basenya dengan Emitter di-ground.

Jika tegangan “biasing” DC yang sesuai pertama kali diterapkan pada terminal Base transistor sehingga memungkinkannya untuk selalu beroperasi dalam wilayah linier aktifnya, rangkaian penguat inverting yang disebut penguat Common Emitter satu tahap dihasilkan.

Salah satu konfigurasi Penguat Common Emitter seperti transistor NPN disebut penguat (Amplifier) Kelas A. Operasi “Penguat Kelas A” adalah operasi di mana terminal Base transistor dibiaskan sedemikian rupa untuk meneruskan bias junction Base-Emitter.

Hasilnya adalah bahwa transistor selalu beroperasi setengah jalan antara daerah cut-off dan saturasi, sehingga memungkinkan penguat transistor untuk secara akurat mereproduksi bagian positif dan negatif dari setiap sinyal input AC yang ditumpangkan pada tegangan biasing DC ini.

Tanpa “Tegangan Bias” ini hanya setengah dari bentuk gelombang input yang akan diperkuat. Konfigurasi penguat Common Emitter ini menggunakan transistor NPN memiliki banyak aplikasi tetapi umumnya digunakan dalam rangkaian audio seperti tahap pra-penguat dan penguat daya.

Dengan mengacu pada konfigurasi Common Emitter yang ditunjukkan di bawah ini, keluarga kurva yang dikenal sebagai Kurva Karakteristik Output, menghubungkan arus Collector output, ( Ic ) dengan tegangan Collector, ( Vce ) ketika nilai arus Base yang berbeda, ( Ib ). Kurva karakteristik output yang diterapkan pada transistor untuk transistor dengan nilai beta (β) yang sama.

Garis Muat (load line) DC juga dapat ditarik ke kurva karakteristik output untuk menunjukkan semua titik operasi yang memungkinkan ketika nilai arus Base yang berbeda diterapkan. Penting untuk mengatur nilai awal Vce dengan benar untuk memungkinkan tegangan output bervariasi baik ke atas maupun ke bawah ketika memperkuat sinyal input AC dan ini disebut pengaturan titik operasi atau Quiescent Point, untuk titik-Q dan ini ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian Penguat Common Emitter Satu Tahap

Kurva Karakteristik Output dari Transistor Bipolar Ideal

Faktor yang paling penting untuk diperhatikan adalah efek Vce pada arus Collector Ic ketika Vce lebih besar dari sekitar 1.0 volt. Kita dapat melihat bahwa Ic sebagian besar tidak terpengaruh oleh perubahan VCE di atas nilai ini dan sebaliknya hampir sepenuhnya dikendalikan oleh arus Base, Ib. Ketika ini terjadi, kita dapat mengatakan bahwa rangkaian output mewakili “Sumber Arus Konstan”.

Hal ini juga dapat dilihat dari rangkaian Common Emitter di atas bahwa arus Emitter Ie adalah jumlah arus Collector, Ic dan arus Base, Ib, ditambahkan bersama sehingga kita juga dapat mengatakan bahwa Ie = Ic + Ib untuk Konfigurasi Common Emitter (CE).

Dengan menggunakan kurva karakteristik output dalam contoh kita di atas dan juga Hukum Ohm, arus yang mengalir melalui resistor beban, ( R_L ), adalah sama dengan arus Collector, Ic memasuki transistor yang pada gilirannya sesuai dengan tegangan supply, ( Vcc ) minus penurunan tegangan antara Collector dan terminal Emitter, ( Vce ) dan diberikan sebagai:

Juga, garis lurus yang mewakili Garis Beban Dinamis dari transistor dapat ditarik langsung ke grafik kurva di atas dari titik “Saturasi” ( A ) ketika Vce = 0 ke titik Cut-off ( B ) saat Ic = 0 sehingga memberi kita Operasi atau titik-Q dari transistor. Kedua titik ini disatukan oleh garis lurus dan posisi apa pun di sepanjang garis lurus ini mewakili “Wilayah Aktif” dari transistor. Posisi aktual garis beban pada kurva karakteristik dapat dihitung sebagai berikut:

Kemudian, kurva karakteristik Collector atau output untuk Transistor NPN Common Emitter dapat digunakan untuk memprediksi arus Collector, Ic, ketika diberi Vce dan arus Base, Ib. Saluran Muatan juga dapat dibangun ke atas kurva untuk menentukan Operasi atau titik-Q yang cocok yang dapat diatur dengan penyesuaian arus Base. Kemiringan garis beban ini sama dengan kebalikan dari tahanan beban yang diberikan sebagai: -1/R_L.

Kemudian kita dapat mendefinisikan Transistor NPN sebagai “OFF” secara normal tetapi arus input kecil dan tegangan positif kecil pada Basenya ( B ) relatif terhadap Emitternya ( E ) akan mengubahnya “ON” yang memungkinkan arus Collector-Emitter yang jauh lebih besar. untuk mengalir. Transistor NPN menjalankan ketika Vc jauh lebih besar dari Ve.

Dalam tutorial berikutnya tentang Transistor, kita akan melihat bentuk berlawanan atau komplementer dari Transistor NPN yang disebut Transistor PNP dan menunjukkan bahwa Transistor PNP memiliki karakteristik yang sangat mirip dengan transistor NPN bipolar kecuali bahwa polaritas (atau bias) dari arah arus dan tegangan sebaliknya.