PENGUAT DAYA KELAS A

Transkripsi

1 LKTRONKA ANALOG ertemuan 14 NGUAT DAYA KLAS A enguat sinyal besar (large signal) dimana penekanan adl pd penguatan daya, disebut dengan penguat daya. Klasifikasi penguat daya yang ada adalah kelas A, kelas B, kelas AB, dan kelas. Titik Q erhatikan gambar berikut. Titik kerja Q Dalam keadaan tdk ada sinyal input, arus dan tegangan kolektor disebut arus dan tegangan kolektor stasioner. Misalkan bahwa arus kolektor stasioner adl 2 ma, maka tegangan kolektor-emiter stasioner adl: 1

2 (R + R ) 30 0,002 ( ) 9 Sehingga koordinat titik Q adl 2 ma dan 9 (gambar b). Garis Beban D Garis beban D menyatakan semua titik operasi D yang mungkin. Jika transistor pd gambar di atas jenuh, maka 30 ( sat) 2, 86 ma R + R Dan jika transistor dioperasikan pd daerah cut-off maka tegangan kolektoremiter adl: (cut-off) 30 Gambar berikut memperlihatkan garis beban D dengan titik Q yang telah diperoleh sebelumnya. Garis beban D Garis Beban A Garis beban A menyatakan semua titik operasi A yang mungkin. Gambar berikut memperlihatkan rangkaian ekivalen A penguat yang sama. Dari rangkaian ekivalen diperoleh: v ce Karena i c i e maka + ier + icr 0 2

3 i c vce Rangkaian ekivalen A Jika sinyal A menggerakkan penguat, sinyal akan menyebabkan perubahan arus dan tegangan kolektor. erubahan ini diberikan oleh: i c Q v ce Q Dengan dan adl arus dan tegangan kolektor D, serta Q dan Q adl arus dan tegangan kolektor stasioner. Dengan menyusun kembali maka diperoleh hubungan antara dan sbb: v + Q Q + Grafik persamaan di atas ditunjukkan pada gambar berikut, dan disebut garis beban A. Garis beban A 3

4 Garis beban A memperagakan bagaimana operasi sinyal besar. Selama setengah periode positif tegangan sumber A, arus kolektor berayun dari titik Q ke atas (arah saturasi atau penjenuhan). Sedangkan selama setengah periode negatif tegangan sumber A, arus kolektor berayun dari titik Q ke bawah (arah cut-off). Utk sinyal A yang besar, operasi dapat bergerak sepenuhnya menuju penjenuhan dan sepenuhnya menuju cut-off (menggunakan hampir semua daerah aktif). ontoh Untuk pengikut emiter pd gambar a berikut, gambarkan garis beban A-nya. Rangkaian untuk soal contoh Dari gambar rangkaian, maka tegangan D pd resistor emiter adl kira-kira 10 sehingga: 10 Q 0, 2 A 50 Q

5 Rangkaian ekivalen A dari penguat diperlihatkan pd gambar b. Resistansi emiter r Ω dan r 0, maka: ( sat) v + Q Q + Q ,2 + 0,6 A Dan (cut-off) Q + Q (r + r ) ,2(0 + 25) 15 Titik Q dan garis beban A penguat diperlihatkan pada gambar c. Q ontoh ada gambar berikut diperlihatkan operasi suatu penguat. Gambaran gerakan dari titik operasi sesaat Titik Q berada pada Q 1 ma dan Q 7. Selama siklus positif sumber A, arus kolektor berayun dari nilai 1 ma ke 1,5 ma dan tegangan kolektor-emiter berayun dari nilai 7 ke 6. Selama siklus negatif sumber A, arus kolektor berayun dari nilai 1 ma ke 0,5 ma dan tegangan kolektor-emiter berayun dari nilai 7 ke 8. Dari kemiringan garis beban A yaitu m (1,5 0,5)/(6 8) 5

6 1/2 ma/ maka diperoleh tegangan cut-off (cut-off) 9 dan arus saturasi (sat) 4,5 ma. Letak titik Q dan pengaruhnya pada operasi penguat diperlihatkan pada gambar berikut. (a) engguntingan titik cut-off (b) engguntingan penjenuhan (c) Sinyal tak tergunting maksimum (d) Titik Q diletakkan di pusat Gambar (a) Titik Q lebih dekat ke titik cut-off daripada ke titik saturasi. Akibatnya akan diperoleh pengguntingan titik cut-off (cut-off clipping). Gambar (b) Titik Q lebih dekat ke titik saturasi daripada ke titik cut-off. Akibatnya akan diperoleh pengguntingan titik saturasi (saturation clipping). Gambar (c) Titik Q berada di pusat garis beban A. ada kondisi ini maka ayunan yang diperoleh akan sama ke kedua arah sebelum terjadi pengguntingan. 6

7 Definisi enguat Kelas A enguat kelas A mensyaratkan bahwa transistor harus selalu dalam daerah aktif selama siklus A. Operasi kelas A tidak memperkenankan adanya pengguntingan pada ujung garis beban A. Tempat terbaik untuk titik Q dalam penguat kelas A adl pada pusat garis beban A sehingga siklus output yang tak tergunting mempunyai kemungkinan ayunan yang terbesar. ada gambar d di atas, titik Q ditempatkan pada pusat garis beban A. Analisis geometris mengharuskan arus saturasi sama dgn 2 kali Q dan tegangan cut-off sama dengan 2 kali Q, atau dinyatakan: (sat) 2 Q (cut-off) 2 Q Sedangkan (cut-off) Q + Q (r + r ) Sehingga r + r Q Q Kesimpulan Untuk mendapatkan titik Q di pusat garis beban A, resistansi A dari rangkaian kolektor dan emiter harus sama dengan perbandingan antara tegangan kolektor stasioner dan arus kolektor stasioner. Kenyataan ini penting sekali dalam analisis dan perancangan penguat daya. Rumus-rumus Daya Kelas A Daya output maksimum Gambar berikut memperlihatkan penguat yang bekerja pada kelas A dan gambar b memperlihatkan garis beban A-nya. Arus kolektor mrpk gelombang sinus dgn harga puncak Q dan tegangan kolektor-emiter jg mrpk sinus dgn harga puncak Q. 7

8 (a) Rangkaian penguat digerakkan pd basisnya (b) Titik Q diletakkan di pusat Daya output A maksimum diperoleh sbg: o(maks) Disipasi Daya RMS Q 2 RMS Q Q Q 2 2 Disipasi daya stasioner dari transistor adl: DQ Q Q Berarti transistor mendisipasikan daya yg sama dengan hasil kali arus dan teganan stasioner. Data sheet transistor selalu mencantumkan disipasi daya maksimumnya. Disipasi daya maksimum ini terjadi pada kondisi tidak ada sinyal sehingga D maks DQ Hubungan Daya Output dan Disipasi Daya Dgn memperhatikan rumusan utk daya output dan disipasi daya maka diperoleh hubungan daya output dan disipasi daya sbb: Q Q o(maks) 2 DQ 2 ni berarti bahwa daya output A maksimum adl setengah daya stasioner dan ini 8

9 yang terbaik yg dapat dilakukan dengan penguat kelas A. Misalkan akan dibuat penguat kelas A yg memberikan daya output A 30 W maka diperlukan transistor yg dapat mendisipasikan daya sebesar 60 W pada kondisi tanpa sinyal. fisiensi fisiensi mrpk ukuran seberapa baik sebuah penguat mengkonversikan daya D ke dalam daya output A. fisiensi output dinyatakan sebagai perbandingan daya output dgn daya input D yg dicatukan ke rangkaian kolektor-emiter, efisiensi η o D Utk rangkaian catu tunggal dpt digunakan rumusan: efisiensi η Utk rangkaian dua catu dpt digunakan rumusan: efisiensi η o Q o ( + ) Q NGUAT BALANS (USH ULL) KLAS B enguat balans (push-pull) kelas B adl rangkaian dgn 2 transistor yg mpy keuntungan-keuntungan D maks turun mjd seperlima dari daya beban dan aliran arus tanpa sinyal menjadi sekitar satu persen dari (sat). Keuntungan pertama sangat penting terutama jika diperlukan daya beban yg besar misalnya pada pemancar komunikasi, keuntungan kedua penting dalam sistem tenaga dengan baterei. Dalam rangkaian kelas B, transistor berada dlm daerah aktif utk setengah perioda. Selama setengah perioda yang lain, transistor tsb cut-off. ni berarti arus kolektor mengalir utk 180 dalam tiap transistor pd rangkaian penguat kelas B. erhatikan bahwa pd rangkaian penguat kelas A arus kolektor mengalir 9

10 utk seluruh perioda atau 360. enguat kelas AB adl penguat yg beroperasi antara kelas A dan B. Transistor pd kelas AB berada dlm daerah aktif utk lebih dari setengah perioda tetapi kurang dari 360. Bentuk gelombang arus kolektor (a) Kelas A (b) Kelas B (c) Kelas Garis Beban A Kelas B Garis beban A utk penguat kelas B diperlihatkan pd gambar berikut. Titik Q berada pada titik cut-off atau mpy koordinat: Q 0 Q (cut-off) Untuk penguat kelas B maka: ( sat) Q Q Q + 10

11 Garis beban kelas B dan bentuk gelombangnya Operasi Balans (ush-ull) Gambar berikut memperlihatkan gambaran kerja balans. Gambar a mrpk rangkaian ekivalen A sebuah pengikut emiter. Selama perioda positif tegangan sumber, dioda emiter dicatu maju shg titik operasi berayun dr titik kerja Q ke penjenuhan (saturasi). Selama perioda negatif tegangan sumber, dioda emiter dicatu balik shg tdk ada arus mengalir. Akibatnya tegangan pd r adl setengah gelombang. Rangkaian ekivalen A 11

12 ada gambar b sebuah pengikut emiter dengan transistor pnp diperlihatkan rangkaian ekivalen A-nya. Misalkan dioda emiter dicatu dekat titik cut-off. Selama perioda positif tegangan sumber, dioda emiter dicatu balik shg tdk ada arus kolektor mengalir. Selama perioda negatif tegangan sumber, dioda emiter dicatu maju shg titik operasi berayun dr titik kerja Q ke penjenuhan (saturasi). Krn arus mengalir mll r, maka tegangan r adl negatif thd ground, shg dgn dmk regangan r hanya setengah gelombang saja (siklus negatif). Utk mendapatkan rangkaian balans, dua pengikut emiter spt yg dijelaskan di atas digabungkan menjadi spt diperlihatkan pd gambar c. Transistor atas (npn) menangani setengah siklus positif dr tegangan sumber dan transistor bawah (pnp) menangani setengah siklusnegatif dr tegangan sumber. Dengan cara ini tegangan output akan menjadi gelombang sinus penuh. ontoh Rangkaian ekivalen A utk penguat balans kelas B diperlihatkan pd gambar berikut. Setiap transistor mpy tegangan Q 50. Berapakah arus penjenuhan (saturasi)? Rangkaian untuk soal contoh Q 50 ( sat) 0, A 12

13 Rumus-rumus Daya Kelas B Daya output maksimum Gambar berikut memperlihatkan garis beban A ideal utk rangkaian kelas B. d penguat nyata, titik saturasi tdk benar-berna menyentuh sumbu vertikal dan titik Q berada sedikit di atas sumbu horisontal (krn pengaruh (sat) dan Q ). enurunan hubungan daya untuk Kelas B Daya output maksimum utk rangkaian kelas B adl: o(maks) RMS Q 2 RMS Q Q Q 2 2 fisiensi maksimum enguat balans kelas B sangat efisien shg byk digunakan sbg penguat daya. Utk rangkaian spt gambar berikut, daya D yg diberikan oleh catu kpd transistor adl: D D Dgn D adl arus ke transistor yg dirata-ratakan dlm satu siklus, yaitu: Sehingga D (sat ) π 13

14 D sedangkan Q 2 π (sat) Maka daya output A maksimum utk penguat kelas B adl: O( maks) ( sat) Dan efisiensi maksimum dpt dinyatakan: 4 ( sat) / 4 π η( maks) 0,785 78,5% / π 4 ( sat) Disipasi Daya Disipasi daya maksimum pada penguat kelas B dinyatakan sbg: Q ( sat) D( maks) 10 ontoh O( maks) 5 Jika sebuah penguat balans kelas B dpt memberikan 100 W daya output A, berapakah disipasi daya maksimum setiap transistornya? O ( maks) 100 D ( maks) 20 W 5 5 Jadi disipasi daya maksimum setiap transistornya adl 20 W; atau sering dikatakan rating daya setiap transistornya adl 20 W yaitu daya paling tinggi utk mencegah kerusakan. 14