Mode Aktif pada Transistor Bipolar

Pemahaman dasar transistor saat beroperasi dalam mode aktif

Penggunaan transistor sebagai saklar akan mengeksplorasi dua mode operasi transistor. Dan kedua mode operasi tersebut adalah saat transistor dikatakan menjadi mode cutoff (transistor akan seperti saklar yang terbuka), dimana transistor tidak bisa mengalirkan arus antara emitor dan kolektor. Sebaliknya transistor akan dikatakan menjadi mode jenuh saat transistor dapat menjadi konduktor atau mengalirkan arus antara emitor dan kolektor.
Namun transistor bipolar tidak hanya beroperasi pada dua mode operasi diatas. Seperti yang kita pelajari pada artikel sebelumnya bahwa arus basis seolah-olah seperti “membuka gerbang” untuk mengalirkan arus melalui kolektor dengan jumlah yang dibatasi atau proporsional. Jika pada batas ini arus yang dikontrol ini lebih besar dari nol tetapi kurang dari jumlah maksimum yang diperbolehkan oleh power supply dan rangkaian beban, transistor akan “throttle” dimana mode ini adalah suatu mode antara cutoff dan jenuh(saturasi). Dan mode ini disebut mode aktif.

Dari gambar diatas kita lihat daerah aktif ditandai pada daerah yang berwarna biru

Sebuah analogi otomotif mungkin bisa menjelaskan mode operasi transistor, seperti berikut ini :

cutoff adalah kondisi dimana tidak ada gaya yang dihasilkan oleh bagian mekanik mobil untuk membuatnya bergerak. Dalam mode cutoff, rem mobil berfungsi (arus basis nol), mencegah mobil bergerak (arus kolektor dicegah atau diblokir).

Mode aktif adalah kondisi dimana mobil berjalan dengan konstan, kecepatan terkontrol (arus kolektor konstan dan terkontrol) sesuai yang diinginkan pengemudi.

Mode jenuh (saturation) adalah kondisi dimana mobil dikendarai menaiki bukit yang curam, dimana jalan yang curam tersebut akan membuat kecepatan yang tidak diinginkan oleh pengemudi. Dengan kata lain, mode jenuh adalah dimana pedal pemercepat atau pedal gas mobil ditekan penuh kebawah (arus basis mengontrol arus kolektor yang lebih besar daripada arus yang disediakan oleh power supply atau beban).

Coba perhatikan gambar dibawah ini untuk menunjukkan apa yang terjadi saat transistor beroperasi pada mode aktif.

“Q” adalah standar penunjukkan komponen transistor pada gambar skematik, seperti “R” untuk resistor, dan “C” untuk kapasitor. Pada rangkaian atau sirkuit ini kita memiliki transistor NPN yang diaktifkan oleh baterai “V1” dan dikendalikan oleh arus melalui sumber arus “I1” . sebuah sumber arus adalah perangkat yang menghasilkan output dengan jumlah arus tertentu, dan menghasilkan sebanyak atau sedikit tegangan pada terminal untuk memastikan dengan tepat jumlah arus yang mengalir. Membuat arus tetap konstan terkenal sulit (tidak seperti sumber tegangan yang selalu dengan upaya kontras tetap menjaga agar tegangan tetap konstan, dan dengan output arus yang tidak menentu), tetapi hal itu dapat diwujudkan dengan kumpulan komponen-komponen elektronika yang kecil. Seperti yang kita ketahui dari transistor, bahwa ia cenderung mirip dengan perilaku sumber arus, yaitu mempunyai kemampuan untuk mengatur arus pada nilai konstan atau tetap.
Pada simulasi diatas, kita atur sumber arus pada nilai yang konstan 20µA, kemudian sumber tegangan(V1) divariasikan antara 0 sampai 2 volt. Setelah itu kita pantau berapa banyak arus yang mengalir melewati transistor itu. Gambar baterai kosong diatas(Vammeter) dengan output 0 volt digunakan sebagai elemen sirkuit untuk pengukuran arus.

Kolektor yang menyapu atau mengalirkan tegangan 0 sampai 2 volt dengan arus basis yang konstan 20µA, akan menghasilkan arus kolektor(arus utama) yang konstan 2 mA pada daerah jenuh(saturation).

Mengatur atau menseting konstan arus basis sebesar 20µA akan menetapkan batas arus kolektor 100 kali lebih besar, yaitu sebesar 2 mA. Perhatikan gambar kurva diatas, yang menunjukkan besarnya arus kolektor yang konstan selama rentangan tegangan baterai dari 0 sampai 2 volt. Ada satu pengecualian untuk ini, yaitu sifat khusus pada petak diawal, dimana tegangan baterai yang naik dari 0 volt menjadi lebih besar dari 0 volt, ada kenaikan arus kolektor yang sangat cepat dari 0 ampere ke batas arus 2 mA.

Lalu, mari kita lihat apa yang terjadi bila tegangan baterai diubah dengan jangkauan atau rentang yang lebih luas, dari 0 – 50 volt. Dan dengan arus basis yang tetap, yaitu 20µA konstan. Perhatikan gambar dibawah ini...

Hasil yang sama didapatkan, meskipun tegangan yang mengalir sekitar 0 – 50 volt, dan arus basis 20µA. Arus kolektor benar-benar stabil pada 2 mA meskipun tegangan baterai bervariasi. Dalam hal ini transistor berfungsi sebagai regulator atau pengatur arus.

Sekarang kita lihat apa yang terjadi bila arus pengendali atau arus basis kita naikkan dari 20 µA menjadi 75 µA, dengan rentang tegangan yang sama 0 – 50 volt. Perhatikan gambar grafik arus dibawah ini....

Arus basis yang konstan 75 µA akan membatasi arus kolektor sehingga menjadi stabil pada 7,5 mA. Begitu juga dengan kurva-kurva dari variasi arus basis yang lain, arus kolektor atau arus utama akan dibatasi menjadi 100 kali arus basis(arus pengendali).

Hubungan antara arus dan tegangan pada transistor sangat berbeda dengan yang ada pada resistor. Pada resistor arus akan meningkat secara linier jika tegangannya meningkat. Namun pada transistor, arus kolektor(arus utama) akan tetap terbatas atau stabil pada nilai maksimum tidak peduli seberapa besar tegangan meningkat.

Perhatikan kumpulan kurva pada gambar dibawah ini, yang menunjukkan setiap kurva untuk tingkat arus basis yang berbeda, kurva ini disebut kurva karekteristik transistor.

Setiap kurva pada grafik menunjukkan besarnya arus kolektor dari berbagai tegangan emitor-kolektor, untuk jumlah arus basis tertentu. Karena transistor cenderung berfungsi sebagai regulator arus, atau membatasi arus kolektor dengan proporsi yang ditetapkan oleh arus basis, maka proporsi ini dapat diekspresikan sebagai standar ukuran kinerja transistor. Perbandingan rasio arus kolektor dengan rasio arus basis biasa dikenal sebagai rasio “Beta” (dilambangkan dalam huruf yunani β) atau dengan hfe:

               Ic (arus kolektor )

β dc  = --------------------------------

               Ib (arus basis)

β transistor ditentukan saat membuat atau merancang dan tidak bisa diubah setelah pembuatan. Sebenarnya rasio β pada transistor tidak tetap stabil untuk semua kondisi operasi. Rasio β bisa saja berubah dikarenakan beberapa faktor seperti, jumlah arus kolektor, temperatur transistor, frekuensi sinyal yang diperkuat, dan faktor-faktor yang lainnya.

Perhatikan model transistor yang kompleks berikut ini :

Model transistor diatas seperti kombinasi antara dioda dan rheostat (variable resistor). Dari gambar diatas menunjukkan kalau itu transistor dengan jenis NPN, untuk yang berjenis PNP sebenarnya ya sama, hanya saja perbedaannya cuma pada arah dioda. Model ini berhasil menggambarkan konsep dasar transistor amplifikasi, yaitu sinyal arus basis dapat mengontrol arus kolektor. Namun transistor model ini merupakan gagasan yang gagal untuk mengatur arus kolektor seperti gambar kurva karekteristik sebelumnya. Gambar kurva arus kolektor akan terus meningkat secara linear saat tegangan meningkat, atau dengan kata lain arus kolektor akan berbanding lurus dengan tegangan emitor-kolektor.

Perhatikan sebuah model transistor yang lebih baik dibandingkan model sebelumnya pada gambar dibawah ini.

Model ini menunjukkan transistor yang terdiri dari dioda dan sumber arus. Output sumber arus yang ditetapkan merupakan kelipatan (rasio β) dari arus basis. Model ini jauh lebih akurat dalam menggambarkan input/output karakteristik transistor yang sebenarnya. Selain itu model ini disukai ketika melakukan analisis jaringan pada sirkuit transistor, sumber arus menjadi komponen yang dipahami dengan baik secara teori.

Selanjutnya akan kita bahas tentang prinsip transistor sebagai saklar,  dimana kondisi nya pada daerah saturasi dan daerah cut off..