PRAKTIKUM ELKA DAYA TOPIK II

The Power Transistor I. Tujuan

1. Mahasiswa dapat memahami karakteristik transistor daya 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik transistor daya dalam penyaklaran DC (DC-chopper) 3. Mahasiswa mengenal komponen elektronika khususnya transistor daya dan dapat mengukur

karakteristiknya

10kHz

V30/10V

+VV110V

Q12N3055

R2100

R1100

100 Hz

V20/10V

1kHz

V30/10V

Q12N3055

R2100

R1100

+VV210V

Q3MJ295510kHz

V10/8V Q42N3055 R1

10

II. Gambar Untai Percobaan A Percobaan B-1 Percobaan B-2

+V

V25V

+VV1

Q12N3055

R210

R11k

Percobaan B-3 Percobaan B-4

+VV210V

Q3MJ29551kHz

V12/8V Q42N3055 R1

10

Percobaan B-5

+VV210V

10kHz

V10/8V

Q42N3055

R110

III. Data Percobaan

Terlampir

IV. Analisis 1. Percobaan A

Pada percobaan pertama ini, kita akan melakukan pengukuran karakteristik dari transistor daya. Di sini nilai V1 kita ubah-ubah nilainya supaya arus yang lewat pada R2 sesuai dengan tabel percobaan, tengan catu V2 dibuat tetap. Titik A pada percobaan digunakan untuk mengukur nilai VBE dan titik B digunakan untuk mengukur VCE transistor Q1. Pada percobaan, terlihat bahwa nilai IB dan VBE tidak selalu konstan, sempat berubah meskipun hanya kecil. Hal ini dikarenakan ketidakidealan transistor yang kita gunakan, adanya drop tegangan pada power supply sehingga menyebabkan nilai IB-nya menjadi berubah, selain itu juga adanya toleransi penunjukan jarum multimeter sehingga menyebabkan pergeseran pembacaan.

B

Nilai dari VCE, adalah , dimana V1 nilainya diubah-ubah sehingga nilai I.R2IV1V CCE = C juga akan berubah-ubah yang mengakibatkan VCE juga ikut berubah. Transistor pada percobaan akan mengalami saturasi pada saat nilai IB-nya besar sekali dan VB CE-nya bernilai 0, yaitu saat V1 = VR2. Namun hal ini biasanya sulit terjadi, hal ini dikarenakan CE pada transistor daya umumnya tetap menyimpan tegangan, sekecil apapun. Dan akan mengalami cut-off pada saat IC dan IB-nya mendekati nol. Hal ini dapat terjadi bila R1 yang kita pasang pada percobaan nilainya besar sekali. Namun, karena kita akan mengukur karakteristik dari transistor, maka transistor harus kita buat supaya tetap dalam kondisi aktif, tidak jenuh maupun cut off.

B

Contoh simulasi pada percobaan adalah sbb (kita ambil 2 sampel):

DC V 607.6mVDC A

4.392mA

DC A 40.00mA

+V

V25V

+V

V10.4552V

Q12N3055

R210

R11k

DC V 654.8mVDC A

4.345mA

DC A 200.0mA

+V

V25V

+V

V12.120V

Q12N3055

R210

R11k

untuk IC = 40 mA, = IC/IB = 40/4,392 = 9,107 IB C = 200 mA, = IC/IBB = 200/4,345 = 46,03 terlihat di sini bahwa dari IC besar hingga IC kecil, nilai IB-nya tidak berubah banyak sekitar 4,3 - 4,4 mAan, nilai V

B

BE-nya juga tidak berubah banyak sekitar 0,6 Van, begitu juga dengan hasil pada percobaan. Dengan memperbesar nilai V1, maka nilai IC juga bertambah besar pula. Terlihat di sini bahwa nilai tidaklah selalu sama untuk IC yang berubah-ubah, semakin besar IC-nya maka semakin besar pula -nya. Transistor daya ini berbeda dengan transistor kecil lainnya, selain dalam ukuran, juga nilai -nya. Di sini kita dapat melihat, bahwa untuk transistor daya, memiliki yang kecil, hanya berkisar puluhan saja untuk IB dan IB C yang dianggap sudah cukup besar. Tabel perbandingan antara simulasi dan percobaan dari 2 sampel tersebut, ditunjukkan sebagai berikut:

Hasil Percobaan Hasil Simulasi IC IB (mA) B VBE (V) IB (mA) B VBE (V) 40 4,4 0,7 9,09 4,4 0,6 9,107

200 4,4 0,8 45,45 4,3 0,7 46,03 Dari tabel di atas terlihat bahwa adanya kesesuaian antara percobaan dan simulasi, tidak bisa sama persis karena adanya nilai toleransi pada komponen dan alat yang digunakan. Grafik hubungan IB vs IB C ditunjukkan sbb:

4.3

4.35

4.4

0 100 200 300 400 500 600

Ic

Grafik hubungan VBE vs IC ditunjukkan sbb:

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 100 200 300 400 500 600

Ic

Grafik hubungan vs IC ditunjukkan sbb:

0255075

100125150

0 100 200 300 400 500 600

Ic

2. Percobaan B-1

Pada percobaan ini akan dibahas mengenai karakteristik transistor daya untuk penyaklaran. Penyaklaran di sini digunakan sebagai chopper yaitu meminimalkan daya yang terbuang pada transistor dengan menempatkan transistor sebagai saklar yang mengalirkan arus terhadap beban jika hanya diberikan picuan agar aktif terhadap basisnya ( biasing ). Jika tidak dipicu maka transistor off. Daya pada transistor dibuang seminimal mungkin karena hanya saat transistor saturasi saja maka beban mendapat arus, dan saat off transistor tidak mendapatkan arus beban ( arus kolektor ). Jadi secara kasarnya 100% tegangan dari sumber ditransfer ke beban. Intinya daerah kinerja transistor tidak berada pada daerah linear tetapi daerah penyaklaran saja. Saat sinyal berada pada kedudukan 0V maka tidak ada arus yang mengalir pada basis. Akibatnya transistor dalam kondisi cut off, karena cut off inilah maka arus tidak mengalir pada kaki kolektor. Misalkan beban adalah R2 maka tegangan di R2 saat ini besarnya 0V karena arus terputus akibat transistor cut off. Kemudian saat inputan berada pada posisi 10V maka ada arus pada basis yang mengalir melalui R1, karena timbul tengangan pada R1 di persambungan Basis Emitor juga muncul tegangan. Tegangan basis emitor inilah memicu transistor menuju ke kondisi saturasi. Saat saturasi inilah arus pada kaki kolektor ada, dan mengaliri beban R2. Ketika inputan 0V lagi maka transistor off kembali. Jika dihitung maka jika transistor benar benar memiliki tegangan kolektor nol maka daya di transistor akan benar benar 0 watt, sehingga daya akan lebih efektif diteruskan ke beban. Pada kenyataannya karena penyaklaran tersebut terkait dengan frekuensi maka saat perpindahan dari 0V ke 10V maupun saat 10V ke 0V transistor tidak cepat dalam mengikuti perpindahan tersebut. Ada waktu tunda naik ( rise time ) dan ada waktu tunda turun ( fall time ). Oleh karena itu diperlukan transistor yang digunakan untuk dc chooper mampu bekerja pada kecepatan penyaklaran yang tinggi, salah satu keunggulan dari transistor daya adalah karakteristik perubahan cut off ke saturasi lebih cepat daripada transistor penguat. Jadi dapat dikatakan dareah aktif transistor daya lebih sempit dibandingkan transistor penguat. Hal tersebut karena transistor penguat bekerja pada titik Q dimana titik ini berada pada bagian pertengahan daerah cut off dan saturasi, alasannya karena titik Q ini digunakan sebagai titik ayunan dari sinyal masukan yang akan dikuatkan. Sedangkan untuk transistor daya berada pada daerah kerja cut off dan saturasinya, karena diharapkan sebagai saklar saja. Berikut adalah simulasi dari percobaan:

75.00us 100.0us 125.0us 150.0us 175.0us 200.0us 225.0us

12.50 V

7.500 V

2.500 V

-2.500 V

A: q1_3B: v2_1

Perhatikan bahwa saat perpindahan inputan dari 0V ke 10V transistor tidak langsung berubah, tetapi ada kemiringan sebagai waktu delay. Pada gambar di atas terlihat bahwa waktu naiknya lebih lama daripada waktu turunnya. Semakin kecil waktu waktu tunda tersebut maka transistor akan lebih baik dalam penyaklaran karena berarti daerah aktifnya sempit. Salah satu cara untuk mempercepat waktu tunda tersebut dengan menaikkan frekuensi inputan, karena dengan mempercepat frekuensi maka transistor berada pada kondisi saturasi. Hal ini karena waktu naik lebih lama daripada waktu turun, sehingga ketika frekuensi dinaikkan sebelum pada kolektor emitter muncul tegangan menuju cut off transistor lebih cepat memasuki fase saturasi.

Secara sederhana dapat dilihat dari gambar simulasi berikut ini:

Besarnya arus pada R2 saat saturasi dengan menganggap Vce benar benar 0 adalah:

Dengan kata lain rumus tersebut berkata bahwa tegangan di R1 sama dengan tegangan di V1. Jika V1 kita sebut sebagai sumber dan R2 disebut sebagai beban maka penyaluran daya dari sumber ke beban sangatlah maksimal. Ini terjadi dengan syarat Vce = 0V bila di koletor emitter muncul tegangan, maka rumus di atas berubah menjadi sebagai berikut:

Jika Vce tidak nol volt maka berarti ada pembuangan daya pada kolektor sebesar Ic dikali Vce. Ini berarti transfer tegangan dari sumber ke beban tidak maksimum lagi karena ada rugi rugi daya di transistor. Sesungguhnya daya total pada transistor dirumuskan sebagai berikut:

Karena disebutkan di atas bahwa efisiensi yang dihitung adalah pada sumber dan beban maka komponen Vbe.Ib dihilangkan ( karena ini daya pada pemicunya ). Dari tabel percobaan terlihat bahwa pemasangan R1 sebesar 100 ohm membuat inputan drop sampai 7Vpp. Setelah diganti R1 = 1000 ohm walaupun inputan tetap drop tetapi lebih baik daripada sebelumnya. Drop ini sebenarnya bisa diatasi dengan pemasangan R1 yang lebih besar lagi, tetapi harus diingat penggantian R1 ini juga akan berpengaruh pada arus basis yang mengendalikan transistor. Dari tabel didapat juga bahwa tegangan pada VB selalu 10, ini berarti proses switching pada transistor berada pada daerah cut off dan saturasi, karena tegangan ini berupa tegangan V1 yang tingginya 10Vpp dimulai dari puncak bawah 0 volt ( saat transistor saturasi ) dan memiliki puncak atas 10V ( saat transistor cut off ). Dapat dilihat juga berarti saat transistor cut off maka tidak ada arus yang mengalir dan ini dibuktikan besarnya VB = V1. Begitu juga ketika saturasi maka Vce = 0V karena langsung diukur terhadap ground dan Vce besarnya memang sekitar 0V. Sebenarnya Vce tidak mutlak 0V, karena keterbatasan alat ukur yang tidak bisa terlalu presisi maka Vce yang sesungguhnya sulit diamati.

3. Percobaan B-2

Analisa percobaan ini sama seperti pada percobaan sebelumnya, hanya saja di sini nilai V2 dibuat berubah-ubah. Tegangan di titik A sama saja mengukur V3, tegangan di titik C sama saja mengukur V2. Tegangan di titik B sama seperti mengukur tegangan di titik A pada percobaan sebelumnya, dan tegangan di titik D sama seperti mengukur tegangan di titik B pada percobaan sebelumnya. Prinsip yang tetap dipegang di sini adalah, transistor di sini hanya berfungsi sebagai saklar saja, yaitu on atau off. On bila saat V3 bernilai 10V, dan off saat V3 bernilai 0V. Nilai tegangan di titik D ini akan menyesuaikan tegangan inputannya, yaitu V2. saat V2 besar maka tegangan di D juga akan besar, begitu juga sebaliknya. Sewaktu f pada V3 bernilai 0, pada D terdapat riak yang menunjukkan perubahan V3 dari 10V ke 0V tidak bisa diikuti secara cepat.

Berikut adalah simulasi dari percobaan (untuk frek. V3 = 1000 Hz):

0.000ms 2.000ms 4.000ms 6.000ms 8.000ms 10.00ms

10.00 V

8.000 V

6.000 V

4.000 V

2.000 V

0.000 V

A: v3_1B: q1[p]C: v2_1D: r2_1

Dan (untuk frek. V3 = 10 kHz):

0.000ms 0.500ms 1.000ms 1.500ms 2.000ms 2.500ms

12.50 V

10.00 V

7.500 V

5.000 V

2.500 V

0.000 V

-2.500 V

A: v3_1B: q1[p]C: v2_1D: r2_1

Terlihat dengan menaikkan frekuensi inputan, maka waktu tundanya akan menjadi lebih cepat, sehingga lebih cepat menuju kondisi saturasinya.

4. Percobaan B-3

Percobaan ini akan mengukur hambatan keluaran suatu transistor daya, transistor yang diamati adalah tipe MJ2955 yang merupakan transistor PNP. Berikut ini data yang diperoleh dari hasil percobaan:

Misalkan hambatan keluaran dari MJ2955 kita sebut sebagai Rx maka secara sederhana dapat diumpamakan sebagai berikut ( gambar ini merupakan potongan sederhana dari rangkaian aslinya ):

Karena ada tegangan pada Rx saat tanpa RL, berarti ada arus di Rx. Misalkan arus tersebut diberi nama Iec, maka besarnya arus tersebut :

Berdasarkan data dari tabel maka diperoleh Iec sebagai berikut:

Iec = 6 / Rx Vpp/ohm Berarti ada arus sebesar Iec dari arah emitter dan itu bisa dianggap sebagai sumber arus dari kaki emitter. Sekarang akan diamati saat RL dipasang, terlihat bahwa tegangan di titik EC turun. Berikut ini gambarnya:

Karena terbebani maka tegangan pada EC akan drop menjadi 5Vpp, itu berarti terpenuhi juga hubungan hukum kircoff tentang arus.

Iec = Irl + Irx Irl dapat dicari sebagai berikut:

Irl = Vec / RL = 5/10 = 0,5 Vpp/ohm Masukkan Irl ke persamaan kirchoff sebelumnya maka didapat:

Iec = Irl + Irx 6 / Rx = 0,5 + Irx 6 / Rx = 0,5 + ( Vrx / Rx ) 6 / Rx = 0,5 + ( Vec / Rx ) 6 / Rx = 0,5 + ( 5 / Rx ) 1 / Rx = 0,5 Rx = 1 / 0,5 = 2 ohm

Didapatkan hasil akhir dimana besar hambatan keluaran pada transistor MJ2955 yang dipraktikumkan memiliki nilai 2 ohm. Hambatan keluaran suatu transistor daya juga mempengaruhi disipasi daya pada transistor. Semakin besar daya keluaran suatu transistor daya maka disipasinya semakin besar, hal ini dikarenakan daya berhubungan dengan arus kolektor dan tegangan emitter kolektor, sedangkan tegangan emitter kolektor sendiri berkaitan dengan hambatan keluaran dan arus kolektornya juga.

5. Percobaan B-4

Analisis percobaan ini sama seperti pada percobaan sebelumnya, yang jelas tetap menerapkan prinsip-prinsip di bawah ini: Karena ada tegangan pada Rx saat tanpa RL, berarti ada arus di Rx. Misalkan arus tersebut diberi nama Iec, maka besarnya arus tersebut :

Berarti ada arus sebesar Iec dari arah emitter dan itu bisa dianggap sebagai sumber arus dari kaki emitter. Sekarang akan diamati saat RL dipasang, terlihat bahwa tegangan di titik EC turun. Berikut ini gambarnya:

Karena terbebani maka tegangan pada EC akan drop menjadi 5Vpp, itu berarti terpenuhi juga hubungan hukum kircoff tentang arus. Tanpa beban R1 maka VCE tiap-tiap transistor akan bernilai kecil sekali, akan tetapi dengan adanya pemasangan beban R1 maka sebagian tegangan akan dipakai oleh transistor, sehingga disipasi dayanya lebih besar ketimbang tanpa beban R1, dan ini dapat menjadi pertimbangan sebelum merancang sesuatu dengan menggunakan transistor daya

6. Percobaan B-5

Prinsip kerja dari untai yang digunakan pada percobaan, intinya memberikan tegangan pada R1 sesuai dengan tegangan yang diberikan dari V2 . Tegangan di R1 tidak sepenuhnya sama dengan tegangan V2 karena ada tegangan pada persambungan basis emitter. Tegangan ini umumnya memiliki besar sekitar 0,7V. Berarti di R1 teradapat tegangan sebesar V2 0,7 , dan ini terjadi ketika V2 memberikan tegangan di atas nol. Apabila V2 memberikan nol volt maka tegangan di R1 dan Vbe juga nol. Pada saat di R1 ada tegangan maka secara otomatis tegangan V1 tidak sama besar dengan di R1 karena ada tegangan pada Vce, dimana besarnya Vce adalah tegangan V1 dikurangi tegangan di R1 ( VR1 ). Arus yang mengalir pada R1 adalah sebesar tegangan di R1 dibagi R1. Padahal tegangan di R1 sendiri hampir sama dengan tegangan di V2 hanya berbeda selisih 0,7V ( ini dengan syarat saat V2 tidak nol). Jika V2 nol maka arus di VR1 atau arus emitter adalah nol. Jadi penjelasan di atas bisa dirumuskan sebagai berikut.

, dengan syarat V2 tidak nol, bila nol maka Vbe juga nol

Karena inputan berbentuk sinyal kotak dengan maksimum 8Vpp ( V2 ) maka dengan frekuensi 10 KHz

untuk mencari tegangan di R1 dapat dilihat secara matematis sebagai berikut:

, karena sinyal kotak dari nol maka dapat dianggap VR1 saat V2 = 10V di VR1 sekitar 7,3V x 0,707 Vrms ( mendekati nilai DCnya ). Tetapi agar lebih mudah dalam perhitungan matematis anggaplah nilai di VR1 tetap 7,3V

Sekarang akan disimulasikan dengan circuit maker menjadi sebagai berikut:

0.000us 100.0us 200.0us 300.0us 400.0us 500.0us

12.50 V

7.500 V

2.500 V

-2.500 V

A: v1_1B: r1_2

Measurement Cursors1 v1_1 X: 124.17u Y: 10.000 2 r1_2 X: 124.69u Y: 7.2901 Cursor 2 - Cursor 1 X: 516.53n Y: -2.7099

Terlihat bahwa hasilnya sama dengan perhitungan matematis di atas, dimana VR1 = 7,29V , Vce = 2,7V.

Saat V2 = 0V maka tegangan di kolektor emitter sama dengan V1, hal ini karena tegangan di Vbe tidak 0,7 sehingga transistor bisa dikatakan dalam model cut off.

Sekarang beban R1 akan ditiadakan berarti ini sama dengan memberikan nilai tak terhingga pada beban R1. Akibatnya maka Ie akan sangat kecil, karena Ie kecil maka tegangan di R1 adalah sebagai berikut:

VR1 = Ie.R1 = Ie . ~ Secara matematis nilai VR1 menjadi tak terhingga, tetapi jika ditinjau lebih lanjut maka tidak terhingga

tersebut ada nilainya. Untuk mencari nilai yang tak terhingga tersebut akan lebih mudah jika dilihat simulasi dengan circuit maker terlebih dahulu:

0.000us 100.0us 200.0us 300.0us 400.0us 500.0us

12.50 V

10.00 V

7.500 V

5.000 V

2.500 V

0.000 V

-2.500 V

A: v1_1B: q1_3

Measurement Cursors1 v1_1 X: 124.89u Y: 10.000 2 q1_3 X: 124.36u Y: 8.0198 Cursor 2 - Cursor 1 X: -536.48n Y: -1.9802

Dapat dilihat nilai pada VR1 itu hampir sama dengan V2. Ini berarti nilai VR1 mendekati nilai VR1.

Perhatikan juga bahwa nilai Vce merupakan selisih dari V1 terhadap VR1, pada hasil simulasi didapatkan bahwa VR1 = 8Vpp dan V1 = 10V berarti Vce sekitar 2Vpp. Sekarang akan dilihat hasil praktikum yang dilakukan:

Dilihat dari tabel hasil praktikum maka nilai nilai dengan pemasangan R1 sesuai dengan teori yang

sudah dijelaskan. Untuk percobaan dengan tanpa R1 hasilnya kurang baik, karena seharusnya nilai Vce itu tidak mungkin nol melainkan selisih dari nilai V1 dengan VR1.

Untai ini dipakai untuk meneruskan arus dari V1 ke beban tanpa harus memberikan tegangan yang sama dengan V1 ke R1, melainkan tegangan tersebut bisa diperoleh dari sumber yang lainnya.

V. Kesimpulan

- Transistor daya memiliki nilai yang kecil, sehingga tidak begitu cocok untuk digunakan sebagai penguat tinggi

- Transistor daya memiliki keunggulan dibanding transistor penguatan, karena memiliki daya tahan panas yang tinggi

- DC chopper merupakan basic dari perancangan switching power supply - Pada transistor yang digunakan sebagai DC chopper memiliki efisiensi daya 100 % karena arus

kolektor akan mengalir hanya pada saat transistor saturasi - Hambatan keluaran transistor daya harus lebih kecil daripada hambatan keluaran transistor penguat,

hal ini karena transistor daya kebanyakan hanya difungsikan sebagai aplikasi switch pada rangkaian daya