Transistor NPN Sebagai Penguat Arus Dan Tegangan

Pada materi kali ini kita akan memfokuskan pembahasan tentang transistor jenis NPN yang dipasang dengan jenis konfigurasi Common Emitter. Karena jenis konfigurasi ini lebih banyak digunakan pada rangkaian elektronika dan merupakan konfigurasi pemasangan transistor pada sirkuit yang ideal.

Gambar diatas menujukkan aliran arus dan tegangan pada transistor NPN. Pada jenis transistor NPN, tagngan pada basis akan selalu positif sementara pada emitor selalu negatif. hal ini sesuai dengan susunan bahan semikonduktor pembentuk transistor NPN. Sehingga tegangan pada kolektor pun akan selalu positif.

Gambar dibawah ini merupakan bentuk dasar dari rangkaian transistor yang digunakan sebagai penguat. 

Sumber tegangan Vcc terhubung dengan terminal kolektor transistor melalaui resistor RL sebagai pembatas arus. Sementara terminal basi menadapatkan pasokan tegangan dari V_B dengan melewati resistor R_B yang juga merupakan pembatas arus masuk pada basis.

Jadi aliran elektron akan mengalir melalui daerah basis transistor dan akan menghasilkan hubungan antara terminal kolektor dan emitor sehingga terjadi aliran elektron dari kolektor menuju emitor. Hubugan antara aliran arus input dan output ini menjadi prinsip dasar dari kerja transistor NPN. Dimana aliran arus kecil pada basis Ib mampu mengendalikan sejumlah besar aliran arus kolektor Ic yang menuju ke emitor.

Perbandingan aliran arus basis Ib dan arus kolektor Ic ( Ic / Ib ) ini disebut dengan angka penguatan arus DC  transistor dan dinyatakan dalam HFE atau simbol beta β .

Nilai beta atau penguatan tiap transistor berbeda beda mulai dari 20 hingga lebih dari 200 kali. Nilai beta ini didapat dari perbandingan arus kolektor dan basis pada saat transistor berada dalam kondisi aktif. Karena hanya dalam kondisi aktif transistor mampu bertidak sebagai penguat arus maupun tegangan. Perhatikan bahwa terminal basis transistor merupakan titik utnuk memasukan sinyal input, sementara terminal kolektor adalah titik pengambilan sinyal output.

Selain memiliki faktor beta, transistor juga mempunyai faktor alpha 𝞪 yang merupakan perbandingan antara arus kolektor dan arus emitor ( Ic / Ib ). Karena arus emitor merupakan penjumlahan arus basis yang kecil dengan arus kolektor yang besar ( Ic + Ib ) maka besar nilai alpha akan mendekati satu (1). Ini adalah karakter dasar ketika transistor bekerja sebagai penguat.

Berikut ini kita akan melihat hubungan antara beta β dan alpha 𝛂 melalui sebuah persamaan :

Arus DC = Arus output / Arus input = Ic / Ib

Ie = Ib + Ic …Dimana Ic / Ie = 𝛂

Jadi : Ib = Ie – Ic
     
     Ib = Ie – 𝞪.Ie

     Ib = Ie(1 – 𝛂)

Sehingga : β = Ic / Ib = Ic / Ie(1 – α) = α / 1 – α

Dengan menyatukan alpha dan beta kita akan mendapatkan dua persamaan yang menjelaskan hubungan aliran arus pada transistor yang berbeda.

α = β / (β + 1)  atau α = β(1 – α)

β = α / (1 – α) atau β = α(1 + β)

Jika α = 0.99   β = 0,99 / 0.01 = 99

Nilai beta pada setipa transistor bervariasi mulai dari 20 hingga 1000 kali untuk transistor daya tinggi dengan frekuensi rendah. Namun secara umum nilai beta atau faktor penguatan transistor berkisar antara 50 sampai 200.

Contoh Soal :

Sebuah transistor dengan nilai penguatan arus DC 200 diberikan beban sebesar 4mA. Hitung arus basis yang dibutuhkan oleh transistor ?

Jawab :

Ib = Ic / β = 0,004A / 200 = 0,00002A = 20μA 

Harus diperhatikan bahwa pad transistor NPN tegangan kolektor Vc harus selalu positif dan lebih besar dari emitor Ve . Hal ini utnuk memungkinkan terjadinya aliran arus listrik antara kolektor dan emitor. Sementara pada setiap transistor yang terbuat dari bahan semikonduktor silikon terdapat tegangan drop sebesar 0,7 Volt. Sehingga tegangan basis Vbe harus lebih besar dari 0,7 Volt agar dapat membuat transistor bekerja. Bila tegangan basis dibawah itu maka transistor akan berada dalam kondisi Cut Off.

Ib = (Vb – Vbe) / Rb  

Dimana :
Ib = Arus basis
Vb = Tegangan bias basis
Vbe = 0,7 V
Rb = Resistor pembatas bias basis

Contoh Soal :

Transistor jenis NPN mempunyai tegangan bias basis DC sebesar 10 Volt dan resistor pada basis 100 KΩ. Berapa besar arus basis pada transistor tersebut ?

Jawab :

Ib = (Vb – Vbe) / Rb  = (10 – 0,7) / 100KΩ = 0,000093A = 93 μA

Penguat Transistor NPN Common Emitter

Selain digunakan sebagai saklar untuk mengubah aliran arus pada kolektor menjadi ON atau Off dengan cara membuat transistor berada dalam kondisi Cut Off atau Saturasi, transistor NPN seringdigunakan sebagai penguat khususnya dalam konfigurasi Common Emitter. Bentuk konfigurasi transistor seperti ini adalah dengan menghubungkan terminal emitor transistor ke jalur ground atau bumi. Untuk transistor jenis NPN jalur ground rangkaian adalah polaritas negatif sumber tegangan.

Penerapan transistor NPN sebagai penguat dilakukan dengan cara memberikan bias basis DC  yang sesuai sehingga transistor selalu berada di kondisi aktif. Rangkaian penguat transistor dengan emitor terbumi dibawah ini biasa disebut dengan penguat emitor pembalik fasa.

Bentuk penguat transistor Common Emitter diatas termasuk ke dalam jenis penguat kelas A. Ciri dari penguat kelas A adalah terdapat resistor yang meneruskan sambungan basis dengan emitor. Hasil dari konfigurasi resistor pemberi bias basis DC adalah transistor selalu berada dalam keadaan aktif sehingga mampu memberikan penguatan sinyal yang ditumpangkan pada bias tegangan DC untuk terminal basis. Bentuk rangkaian penguat kelas A ini banyak digunakan pada rangkaian penguat audio pada tahap pertama. 

Demikian materi tentang cara kerja transistor NPN sebagi penguat tegangan dan arus. Pada materi berikutnya kita akan membahas tentang transistor PNP yang merupakan jenis lain dari transistor.