Hal:33 BAB F PENGUAT DAYA Dalam elektronika banyak sekali dijumpai jenis penguat, pengelompokkan dapat berdasarkan: 1. rentang frekuensi operasi, a. gelombang lebar (seperti: penguat audio, video, rf dll) b. gelombang sempit (seperti tuned amplifier).. metoda pemasangan rangkaian, a. pemasangan AC : semua komponen frekuensi rendah (termasuk dc) tidak diteruskan ke rangkaian penguat b. pemasangan DC : salah satu tipenya adalah penguat chopper, sinyal input terbelah menjadi seri pulsa kemudian diperkuat oleh penguat ac sebelum dikembalikan lagi ke level dc. 3. titik bias pada penguat: kelas A, kelas B, kelas AB dan kelas C 4. tegangan 5. arus 6. daya Berdasarkan dengan tipe pembiasan yang dilakukan oleh penguat, dapat dikelompokkan menjadi: 1. kelas A : Titik kerja diatur agar seluruh fasa sinyal input diatur sedemikian rupa sehingga seluruh fasa arus output selalu mengalir. Penguat ini beroperasi pada daerah linear.. kelas B : Titik kerja diatur pada suatu sisi ekstrim saja, sehingga daya quiescent sangat kecil. Untuk sinyal input sinusoida, penguatan hanya terjadi pada setengah perioda sinyal input saja. 3. kelas AB : Titik kerja diatur dua ekstrim dari kelas A dan kelas B. Jadi sinyal output sama dengan nol pada satu bagian namun dengan selang kurang dari setengah siklus sinyal sinus.
Hal:34 4. kelas C : Titik kerja diatur beropersi untuk arus (tegangan) output sama dengan nol dengan selang lebih besar dari setengah siklus sinus. Sehingga penguat bekerja kurang dari setengah perioda sinyal input. Effisiensi η adalah ukuran kemampuan suatu elemen aktif untuk mengkonversikan daya DC menjadi daya AC yang diumpankan ke beban, atau dinyatakan : Penguat kelas A sinyal daya yang diberikan ke beban η = daya DC yang diberikan ke rangkaian 100% CC R o v s Gambar 1, Penguat kelas A Beban R adalah beban hambatan kolektor, dan Tegangan output puncak ke puncak opp = CC. Sedang arus puncak ke puncak I opp = CC /R. Sehingga daya max adalah P = I atau o(max) oeff oeff P = I = o(max) oeff oeff = R 8R CC CC CC
Hal:35 Asumsi untuk pembiasannya ideal, yaitu CE = ½ CC dan CE ini sebagai level DCnya, dengan arus DC yang mengalir/diserap pada R adalah: I CCave = ½ I C Dan daya yang diberikan adalah : P = I = I = 1 s CC CC( ave) CC C( Q) CC Sehingga effisiensi dari penguat kelas A adalah o(max) CC Ps CC R R P 8R η (max) = = 100% = 5% kerugian: tidak seluruh arus yang mengalir di kolektor menghasilkan sinyal daya ac. CC Daya yang didisipasikan adalah P D =P s - P o - P dc dengan CC dc C( Q) R P = I R = R = 4R CC Dissipasi maksimum terjadi jika tidak ada output yang dihasilkan atau P o = 0, sehingga: PD(max) = Ps Pdc = = R 4R 4R. CC CC CC
Hal:36 Penguat kelas B : Push-Pull + CC1 Q1 I c1 v i Q I c i R - CC Gambar, Penguat kelas B Penguat kelas B ini memanfaatkan teknik push-pull, dua transistor yang bekerja saling komplementer. Kedua transistor tsb berbeda tipe namun karakteristiknya sama atau matched Untuk v s >0 : v s <0 : Q 1 konduksi Q cut-off i C1 mengalir dari CC1 Q 1 R CC1 o < 0 Q 1 cut-off Q konduksi i C mengalir dari CC R Q CC o > 0 Arus yang mengalir di beban i = i C - i C1. Jika nilai puncak v ce1 sebesar p, maka arus i c1 sebesar : I p = R p
Hal:37 v s i c1 i c i Gambar 3, Bentuk sinyal Kedua transistor sepasang (parameternya matched ), daya output : (untuk sinyal sinus) p Ip p Po = effieff = = R Jika CC1 = CC = CC = p, dan transistor ideal, maka : CC Po (max) = R Daya yang ditarik oleh masing-masing sumber DC adalah seri dari setengah bagian gelombang sinus, akibatnya arus rata-rata yang disupply adalah : I p av =, π R sehingga P p s = CCIav = CC. π R Effisiensinya penguat itu dapat dicari dengan cara:
Hal:38 P R R η = = = = P I o p p π p p s CC av 4 CC π R CC dan effisiensi maks jika p = CC atau η (max) = π/4 = 78 % Dissipasi daya pada transistor Berbeda dengan kelas A, pada saat tidak ada daya output, tidak ada daya yang di supply, sehingga tidak ada daya yang di dissipasikan. Dissipasi maksimum dicari sbb : p PD = Ps Po = CC π R p R Sehingga diperoleh : dpd CC p = = 0 maka p = d π R R π p CC CC PD (max) = 0, π R R CC Dari Po (max) =, diperoleh daya disipasi maksimum adalah R PD(max) = 0,4 Po(max) (ini untuk kedua transistor). Sehingga untuk masing-masing transistor adalah P D(max) = 0, Po(max). CC Distorsi pada kelas B Sifat-sifat distorsi pada kelas B sedikit unik, bila karakteristik transfernya tidak linear. Jika kedua transistor yang dipergunakan cocok (matched) maka arus yang mengalir pada transistor Q 1 dan Q masing-masing i 1 dan i hanya bergeser 180 o. Jika ada suku harmonik:
Hal:39 i 1 = I C + B o + B 1 cos ωt + B cos ωt + B 3 cos 3ωt +... i = I C + B o + B 1 cos (ωt+π) + B cos (ωt+π) + B 3 cos (3ωt+π) +... atau i = I C + B o - B 1 cos ωt + B cos ωt - B 3 cos 3ωt +... Sehingga i = i 1 - i = (B 1 cos ωt + B 3 cos 3ωt +...) Hal ini menunjukkan bahwa ada tersisa gelombang harmonik orde ganjil. Namun bila karakteristik kedua transistor tidak identik, maka harmonik orde genapnya juga muncul. Distorsi ini akibat sifat nonlinear dari transistor dikenal sebagai distorsi cross-over, hal ini secara sederhana akibat kedua transistor tidak konduksi pada tegangan - γ < i < γ seperti ditunjukkan pada Gambar 4. i B1 arus basis yang distorsi v BE v BE1 i B sinyal input Gambar 4, Distorsi crossover. Penguat kelas AB Karena karakter non linear dari transistor, maka ada distorsi harmonik yaitu distorsi crossover. Distorsi ini dapat dieliminasi dengan
Hal:40 memberikan tegangan bias DC kecil pada masing-masing transistor, misalnya menggunakan dua buah dioda atau dua buah transistor yang kira-kira sama dengan γ seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Kerugianya dalam hal effisiensi, karena ada daya stand-by tsb. R 1 0 D 1 Q R R 3 D v s Q 3 0 Q 1 R R E Gambar 1, Penguat kelas AB Transistor Q 1 akan dibias untuk operasi kelas A. Hambatan R 1 sebagai beban kolektor dengan kondisi quiescent (v s = 0): I Q = 0 dan ENQ = 0. Arus yang mengalir melalui dioda D 1 dan D akan menghasilkan beda potensial sebesar : I C1Q. D1 + D = BE + EB Pada kondisi quiescent arus yang mengalir di kolektor adalah Transistor Q dan Q 3 beroperasi dalam kelas B. Umumnya pada rancangan ini dioda D 1, D dan transistor Q dan Q 3 menggunakan heat-sink yang sama, sehingga pada saat transistor Q dan Q 3 panas akan membuat D1 + D berkurang tegangannya selanjutnya akan
Hal:41 mengurangi arus quiescent, rancangan ini dikenal sebagai umpanbalik negatif termal. Untuk membuat tingkat driver transistor Q 1 dari rancangan kelas AB di atas dilakukan sbb: Pada saat v s mencapai tegangan maksimum negatif, transistor Q 1 mendekati cut-off sehingga v EN = v BN 40. Untuk kondisi ini i B maksimum dan akan mengalir ke R 1. Dengan memperhatikan gambar berikut ini Gambar, Rangkaian driver transistor kelas AB Jika diambil R1 = volt, maka BN = 40 - = 38. jika dipilih BE = 1, maka EN = BN - BE = 37 sehingga i C(max) = (37-0)/100Ω = 1,70 ma dan i B (max) = 1,7 ma jika h fe = 100. R 1 R = 1 1, k i = 1, 7mA = Ω. B
Hal:4 Pada saat v s = 0 E = EN + EB = 0,8 i C1 = ( 0, 8 0, 8 ) x 1, kω = 16 ma Pilih RE = 1,5 agar transistor Q dan Q 3 beropersai sebagai kelas AB, sehingga R E = RE ic1 15 =, 16 ma = 94 Ω. Nilai R dan R 3 dicari dengan metoda coba-coba seperti yang ditunjukkan pada analisa DC pada BJT, diperoleh masing-masing sebesar 1, 5 kω dan kω. Penguat Kelas-C Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180 o pada setiap siklusnya tidak sinusoida, ada rangkaian tangki resonansi, C seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
Hal:43 Gambar 3, Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinya Rangkaian tangki resonansi C paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar: f r π 1 C Pada saat sinyal input tertala pada frekuensi f r tegangan output akan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangan sebesar A max. Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dilakukan Rangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garis beban ditunjukkan pada gambar berikut.
Hal:44 Gambar 4, Rangkaian DC ekivalen dan garis beban DC dan AC Transistor tsb tidak ada pem-bias-an BE = 0 I C = 0 untuk sinyal input < 0,7 titik Q akan cuttoff pada garis beban R S : hambatan kolektor DC (resistansi induktor RF) garis beban relatif vertikal karena R S kecil. Rangkaian ekivalen AC penguat CE ditunjukkan pada gambar berikut.
Hal:45 Gambar 5, Rangkaian ekivalen AC Pada penguat CE berlaku: dan I C(sat) = ICQ + r = + I CE(cut) CEQ CEQ c CQ r c Pada penguat kelas C, I CQ = 0 dan CEQ = CC, sehingga: CC I C(sat) = dan CE(cut) = CC rc seperti ditunjukkan pada garis beban di atas, dengan r c : hambatan kolektor AC. Jadi pada penguat kelas C swing tegangan sebesar CC dan arus saturasi sebesar CC /r c.