Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 5 Bab 1: Sistem Elektronik Analog
RINGKASAN
Ringkasan Konsep Utama (Nota Pengajian Kejuruteraan Elektrik Dan Elektronik Tingkatan 5 Bab 1:Sistem Elektronik Analog)
1. Transistor Dwikutub (BJT)
Transistor dwikutub (Bipolar Junction Transistor, BJT) ialah peranti semikonduktor yang diperbuat daripada bahan silikon atau germanium. Ia merupakan komponen yang paling banyak digunakan dalam alatan elektronik dan mempunyai dua fungsi utama: sebagai penguat dan suis elektronik.
• Jenis-jenis BJT:
◦ NPN: Terbina daripada satu lapisan bahan jenis-P yang diapit di antara dua lapisan bahan jenis-N.
◦ PNP: Terbina daripada satu lapisan bahan jenis-N yang diapit di antara dua lapisan bahan jenis-P.
• Tamatan (Terminal): Setiap BJT mempunyai tiga tamatan:
◦ Tapak (Base, B): Mengawal pengaliran arus antara pemungut dan pemancar.
◦ Pemungut (Collector, C): Mengumpul pembawa cas.
◦ Pemancar (Emitter, E): Memancarkan pembawa cas; mempunyai arus yang paling tinggi.
• Hubungan Arus: Arus pemancar (IE) adalah hasil tambah arus tapak (IB) dan arus pemungut (IC).
◦ IE = IB + IC
◦ Arus tapak (IB) adalah yang paling rendah.
• Gandaan Arus (Beta, β): Nisbah antara arus pemungut (IC) dengan arus tapak (IB).
◦ β = IC / IB
Tatarajah Litar BJT
Terdapat tiga jenis tatarajah sambungan asas untuk transistor dwikutub:
1. Tapak Sepunya (Common Base): Tamatan tapak dikongsi oleh litar masukan dan keluaran. Isyarat masukan dan keluaran adalah sefasa. Biasa digunakan sebagai penguat pengayun.
2. Pemungut Sepunya (Common Collector): Tamatan pemungut dikongsi.
3. Pemancar Sepunya (Common Emitter): Tamatan pemancar dikongsi. Ini adalah tatarajah yang paling umum.
Pincangan Litar Transistor
Pincangan diperlukan untuk mengoperasikan transistor dengan betul.
• Pincang Arus Tetap: Satu kaedah pincangan di mana analisis litar bergantung pada nilai β dan menggunakan Hukum Voltan Kirchoff.
• Pincang Pembahagi Voltan: Satu lagi kaedah pincangan yang menggunakan pembahagi voltan untuk menetapkan voltan tapak.
Transistor sebagai Suis
Transistor boleh beroperasi dalam dua keadaan utama sebagai suis:
1. Takat Potong (Cut-off): Transistor berada dalam keadaan “OFF” atau litar terbuka. Tiada arus tapak (IB = 0) dan arus pemungut (IC = 0). Voltan pemungut-pemancar (VCE) adalah sama dengan voltan bekalan (VCC).
2. Takat Tepu (Saturation): Transistor berada dalam keadaan “ON” atau litar tertutup. Arus yang mencukupi dibekalkan ke tapak untuk membenarkan arus pemungut maksimum mengalir.
2. Transistor Kesan Medan (FET)
Transistor Kesan Medan (Field-Effect Transistor, FET) ialah sejenis transistor yang operasinya dikawal oleh voltan.
• Jenis-jenis FET:
◦ JFET (Transistor Kesan Medan Simpang): Dibina daripada bahan jenis N dan P. Terdapat dalam bentuk saluran N dan saluran P.
◦ MOSFET (Pengalir Oksida Logam Semikonduktor): Terminal get diasingkan daripada saluran oleh lapisan silikon oksida. Terdapat dua ragam utama:
▪ Ragam Peningkatan (Enhancement Mode): Tiada saluran sedia ada; saluran terbentuk apabila voltan dikenakan pada get.
▪ Ragam Susutan (Depletion Mode): Saluran telah sedia ada; lebar saluran dikawal oleh voltan pada get.
• Tamatan (Terminal):
◦ Get (Gate, G): Mengawal pengaliran arus.
◦ Salir (Drain, D): Tempat arus mengalir keluar.
◦ Sumber (Source, S): Tempat arus mengalir masuk.
Tatarajah Litar FET
Seperti BJT, FET juga mempunyai tiga tatarajah asas:
1. Get Sepunya (Common Gate)
2. Sumber Sepunya (Common Source)
3. Salir Sepunya (Common Drain)
3. Elektronik Optik
Bidang ini melibatkan peranti yang peka kepada cahaya, menggabungkan prinsip elektronik dan optik.
• Fotoperintang (LDR – Light Dependent Resistor):
◦ Sebuah peranti yang nilai rintangannya berubah mengikut keamatan cahaya.
◦ Ada cahaya: Rintangan rendah, arus boleh mengalir.
◦ Tiada cahaya: Rintangan tinggi, tiada pengaliran arus.
◦ Contoh aplikasi: Lampu taman automatik.
• Fototransistor:
◦ Binaannya serupa dengan BJT tetapi operasinya dikawal oleh cahaya.
◦ Mempunyai tamatan pemungut, pemancar, dan tapak (walaupun tapak jarang digunakan).
◦ Menerima cahaya: Rintangan menjadi rendah, pincangan hadapan berlaku, dan arus mengalir.
◦ Tiada cahaya: Rintangan menjadi tinggi.
◦ Contoh aplikasi: Pengesan kelajuan angin.
GLOSARI
| Istilah | Definisi |
| Beta (β) | Juga dikenali sebagai gandaan arus. Ia adalah hubungan nisbah antara nilai arus pemungut (IC) yang mengalir dengan nilai arus tapak (IB). |
| Elektronik Optik | Satu bidang elektronik yang berkaitan dengan peranti kepekaan cahaya yang berkendali dengan prinsip elektronik dan optik. |
| Fotoperintang (LDR) | Sejenis sel foto beraliran di mana nilai rintangannya berkurang apabila cahaya dikenakan padanya, membenarkan arus mengalir. |
| Fototransistor | Peranti simpang PN yang binaannya sama seperti transistor dwikutub, tetapi berfungsi apabila menerima pancaran cahaya, menyebabkan rintangannya menjadi rendah. |
| Gandaan Arus (Ai) | Nisbah arus keluaran kepada arus masukan. |
| Get (Gate) | Tamatan pada Transistor Kesan Medan (FET) yang mengawal pengaliran arus antara salir dan sumber. |
| Hukum Voltan Kirchoff | Menyatakan bahawa pada suatu gelung dalam litar lengkap, jumlah voltan punca bersamaan dengan jumlah voltan yang susut pada beban. |
| JFET | Singkatan untuk Junction Field-Effect Transistor (Transistor Kesan Medan Simpang). |
| MOSFET | Singkatan untuk Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Sejenis FET di mana get diasingkan daripada saluran oleh lapisan silikon oksida. |
| NPN | Sejenis transistor dwikutub di mana bahan jenis P diapit di antara dua lapisan bahan jenis N. |
| Pemancar (Emitter) | Tamatan transistor dwikutub yang merupakan sumber elektron dan mempunyai arus yang paling tinggi. |
| Pemancar Sepunya | Satu tatarajah litar transistor di mana tamatan pemancar menjadi sepunya untuk bahagian tapak dan pemungut. |
| Pemungut (Collector) | Tamatan transistor dwikutub yang berfungsi untuk mengumpul pembawa cas. |
| Pincang Arus Tetap | Sejenis litar pincang transistor di mana analisisnya banyak bergantung pada nilai β. |
| Pincang Pembahagi Voltan | Sejenis litar pincang yang menggunakan dua perintang untuk membahagikan voltan bekalan bagi menetapkan voltan pada tapak transistor. |
| PNP | Sejenis transistor dwikutub di mana bahan jenis N diapit di antara dua lapisan bahan jenis P. |
| Ragam Peningkatan | Jenis kendalian MOSFET di mana tiada saluran wujud pada mulanya; saluran terbentuk apabila voltan dikenakan pada get. |
| Ragam Susutan | Jenis kendalian MOSFET di mana saluran telah sedia wujud dan lebar saluran dikawal (disusutkan atau diperluas) oleh voltan get. |
| Salir (Drain) | Tamatan pada Transistor Kesan Medan (FET) di mana arus mengalir keluar. |
| Substrak | Satu potongan nipis bahan semikonduktor, seperti kristal silikon, yang digunakan dalam pemasangan litar bersepadu. |
| Sumber (Source) | Tamatan pada Transistor Kesan Medan (FET) di mana pembawa cas memasuki saluran. |
| Takat Potong | Keadaan di mana transistor berkendali sebagai suis terbuka (OFF). Arus tapak (IB) dan arus pemungut (IC) adalah sifar. |
| Takat Tepu | Keadaan di mana transistor berkendali sebagai suis tertutup (ON), membenarkan arus pemungut maksimum mengalir. |
| Tapak (Base) | Tamatan transistor dwikutub yang mengawal pengaliran arus di antara pemungut dan pemancar. |
| Tapak Sepunya | Satu tatarajah litar transistor di mana tamatan tapak menjadi sepunya untuk bahagian pemancar dan pemungut. |
| Transistor Dwikutub (BJT) | Sejenis peranti semikonduktor yang paling banyak digunakan, berfungsi sebagai penguat dan suis elektronik. |
| Transistor Kesan Medan (FET) | Sejenis transistor yang menggunakan medan elektrik untuk mengawal bentuk dan seterusnya kekonduksian “saluran” dalam bahan semikonduktor. |
CONTOH SOALAN KBAT
Soalan Kemahiran Berfikir Aras Tinggi (KBAT)
Bahagian ini mengandungi soalan-soalan yang memerlukan analisis dan aplikasi konsep yang telah dipelajari.
1. Mengapakah arus pemancar (IE) sentiasa mempunyai nilai yang paling tinggi berbanding arus tapak (IB) dan arus pemungut (IC) dalam sebuah transistor dwikutub? Jawapan: Arus pemancar (IE) adalah yang tertinggi kerana tamatan pemancar bertindak sebagai sumber utama pembawa cas (elektron). Arus yang mengalir keluar dari pemancar adalah hasil tambah arus tapak (IB) yang merupakan arus kawalan yang kecil, dan arus pemungut (IC) yang merupakan arus utama yang dikawal. Ini selaras dengan persamaan asas transistor: IE = IB + IC. Oleh itu, IE secara semula jadi lebih besar daripada IB dan IC secara individu.
2. Dalam litar suis berasaskan transistor, terangkan keadaan pincangan bagi simpang tapak-pemancar dan tapak-pemungut apabila transistor berada dalam keadaan “takat potong” (suis terbuka) dan “takat tepu” (suis tertutup). Jawapan:
• Takat Potong (Suis Terbuka): Dalam keadaan ini, tiada arus yang mencukupi dibekalkan kepada tapak (IB = 0), menyebabkan tiada arus pemungut mengalir (IC = 0). Ini berlaku apabila simpang tapak-pemancar (BE) dan simpang tapak-pemungut (BC) kedua-duanya berada dalam keadaan pincang balikan. Transistor bertindak seperti litar terbuka.
• Takat Tepu (Suis Tertutup): Dalam keadaan ini, arus tapak (IB) yang mencukupi dibekalkan untuk membenarkan arus pemungut (IC) maksimum mengalir. Ini berlaku apabila simpang tapak-pemancar (BE) dan simpang tapak-pemungut (BC) kedua-duanya berada dalam keadaan pincang hadapan. Transistor bertindak seperti litar tertutup atau suis tertutup.
3. Sebuah litar pemantau bateri menggunakan diod Zener 6.2V. Apakah peranan diod Zener tersebut dan bagaimanakah ia membolehkan litar membezakan antara voltan bateri yang baik (cth: 9V) dan lemah (cth: bawah 6.2V)? Jawapan: Diod Zener 6.2V berfungsi sebagai rujukan voltan yang stabil. Apabila voltan bekalan (bateri) lebih tinggi daripada 6.2V, diod Zener akan pincang balikan dan mengalirkan arus, mengekalkan voltan 6.2V merentasinya. Voltan ini boleh digunakan untuk memicu transistor (cth: Q2) supaya tidak aktif. Apabila voltan bateri jatuh di bawah 6.2V, diod Zener tidak lagi mengalirkan arus (berhenti berfungsi sebagai pengatur voltan), menyebabkan perubahan voltan pada tapak transistor dan mengubah keadaan LED (cth: LED merah menyala untuk menandakan bateri lemah).
4. Apabila menjalankan simulasi litar menggunakan perisian seperti EasyEDA dan membandingkannya dengan ujian pada perkakasan sebenar (papan reka), seringkali terdapat perbezaan (ralat) pada bacaan. Bincangkan tiga punca yang mungkin menyebabkan perbezaan ini. Jawapan: Tiga punca kemungkinan perbezaan adalah:
• Toleransi Komponen: Komponen fizikal seperti perintang mempunyai had terima (cth: ±5%). Nilai sebenar perintang mungkin berbeza sedikit daripada nilai yang digunakan dalam simulasi, menyebabkan perbezaan pada bacaan arus dan voltan.
• Parameter Transistor Sebenar: Gandaan arus (β) bagi transistor fizikal boleh berbeza-beza antara satu unit dengan unit yang lain, walaupun dari model yang sama (cth: 2N3904). Simulasi menggunakan nilai β yang ideal atau tetap, manakala nilai β sebenar mungkin berbeza, sekali gus mengubah nilai IC dan VCE.
• Faktor Fizikal Litar: Dalam litar perkakasan, faktor seperti rintangan sambungan pada papan reka, rintangan dalaman wayar, dan kesan suhu pada komponen boleh mempengaruhi prestasi litar, di mana faktor-faktor ini biasanya tidak diambil kira dalam simulasi litar yang ideal.
5. Litar tatarajah tapak sepunya dinyatakan sesuai digunakan sebagai penguat pengayun dan isyarat masukan serta keluarannya adalah sefasa. Berdasarkan ciri-ciri ini, jelaskan mengapa ia kurang popular berbanding tatarajah pemancar sepunya untuk aplikasi penguat audio umum. Jawapan: Walaupun isyaratnya sefasa, tatarajah tapak sepunya mempunyai gandaan arus (α) yang sentiasa kurang daripada 1. Ini bermakna ia tidak menguatkan arus, sebaliknya hanya menguatkan voltan. Bagi aplikasi penguat audio umum, penguatan kuasa (hasil darab gandaan voltan dan gandaan arus) adalah lebih penting untuk memacu beban seperti pembesar suara. Tatarajah pemancar sepunya pula menawarkan gandaan arus (β) dan gandaan voltan yang tinggi, menjadikannya lebih cekap sebagai penguat kuasa dan lebih sesuai untuk kebanyakan aplikasi penguat isyarat.
SOALAN LAZIM (FAQ)
Soalan Lazim (FAQ)
Berikut adalah jawapan kepada beberapa soalan lazim mengenai transistor dan komponen berkaitan.
1. Apakah dua jenis asas transistor dwikutub? Terdapat dua jenis transistor dwikutub: NPN dan PNP. Struktur binaan NPN terhasil apabila bahan jenis P diapit di antara dua lapisan bahan N, manakala struktur PNP terhasil apabila bahan N diapit di antara dua lapisan bahan P.
2. Apakah tiga tamatan yang terdapat pada transistor dwikutub? Setiap transistor dwikutub mempunyai tiga tamatan iaitu:
• Pemungut (Collector – C)
• Tapak (Base – B)
• Pemancar (Emitter – E)
3. Nyatakan tiga jenis tatarajah sambungan litar transistor dwikutub. Tiga jenis tatarajah litar transistor dwikutub adalah:
• Tatarajah Tapak Sepunya
• Tatarajah Pemungut Sepunya
• Tatarajah Pemancar Sepunya
4. Apakah hubungan antara tiga arus yang berbeza dalam transistor dwikutub? Terdapat tiga arus: arus tapak (IB), arus pemungut (IC), dan arus pemancar (IE). Tamatan pemancar merupakan sumber elektron dan mempunyai arus yang paling tinggi. Hubungan antara ketiga-tiga arus ini dinyatakan oleh formula: IE = IB + IC.
5. Apakah perbezaan utama antara fotoperintang (LDR) dan fototransistor? Fotoperintang (LDR) adalah peranti yang nilai rintangannya berubah mengikut keamatan cahaya; rintangan menjadi rendah apabila cahaya terang dan tinggi apabila gelap. Manakala fototransistor adalah peranti simpang PN yang berfungsi seperti transistor biasa, di mana pengaliran arusnya dikawal oleh pancaran cahaya yang diterima pada simpang tapak-pengeluarnya.