MODUL 1 TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA Naufal Ridho H (13214008) Asisten: Febri Jonathan S. (13213032) Tanggal Percobaan: 26/09/2016 EL3109-Praktikum Elektronika 2 Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak Pada percobaan ini, praktikan akan melakukan pengamatan terhadap output penguat daya kelas A, B, dan AB. Praktikan mengamati dan mengenali penguat berdasarkan bagian fungsi sinusoidal saat transistor konduksi. Praktikan juga mengukur dan menganalisa distorsi pada setiap kelas. Selain itu, praktikan juka mengukur dan menganalisa daya dan efisiensi setiap kelas penguat. Kemudian praktikan akan menganalisa rangkaian termal sederhana untuk transistor daya. 2. STUDI PUSTAKA 2.1 Tahap Output Penguat kelas A Tahap output penguat kelas A untuk konfigurasi Emitor Bersama (Common Emitter) tampak pada Gambar 1. Kata kunci: klasifikasi penguat, tahap output, distorsi, daya, efisiensi 1. PENDAHULUAN Percobaan modul pertama ini membahas mengenai karakteristik dari penguat kelas A, AB dan B. Komponen yang dipakai untuk merangkai penguat adalah BJT. Karakteristik tersebut meliputi daya, efesiensi, dan distorsi pada tiap jenis penguat daya. Adapun tujuan praktikum ini adalah sebagai berikut, a. Mengamati dan mengenali klasifikasi penguat berdasarkan bagian fungsi sinusoidal saat transistor konduksi b. Mengukur dan menganalisa distorsi pada tahap output penguat pada kelas A, B, dan AB. c. Mengukur dan menganalisa daya dan efisiensi penguat kelas A, B, dan AB. d. Mengamati, mengukur, dan menganalisa rangkaian termal sederhana untuk transistor daya (opsional). Gambar 1 Rangkaian tahap output penguat kelas A Transistor Q1 selalu konduksi pada seluruh selang sinyal input sinusoid. Sumber arus IBias menarik arus dari transistor Q1 dan beban RL. Saat tegangan input sekitar nol, arus yang ditarik sumber IBias akan diberikan oleh transistor Q1 sehingga beban mendapat arus dan tegangan mendekati nol. Dalam keadaan tanpa input
transistor pada tahap penguat kelas A menghantarkan arus sebesar arus biasnya. Saat tegangan input terendah maka arus yang ditarik sumber akan datang dari beban RL sehingga beban akan mendapat tegangan terendah negatif Ibias RL. Saat tegangan input tertinggi maka transistor Q1 akan memberikan arus lebih dari yang ditarik sumber arus sehingga beban akan memberoleh arus dan tegangan tertinggi positif. Untuk memperoleh ayunan tegangan tertinggi pada beban maka digunakan arus bias dan beban yang memenuhi hubungan sebagai berikut I bias R L = Vcc V CEsat Arus yang diberikan oleh transistor Q1 akan berkisar dari 0 hingga 2xIBias. Distorsi pada penguat kelas A yang paling menonjol adalah distorsi saturasi. Distorsi ini terjadi ketika isinyal input sangat besar sehingga tegangan kolektor-emitor transistor mencapai nilai tegangan saturasi dan tegangan output sudah mendekati tegangan catu dayanya. Rangkaian bias berupa sumber arus untuk tahap output penguat kelas A dapat direalisasikan dengan berbagai jenis sumber arus, misalnya dengan cermin arus. Pada percobaan ini digunakan rangkaian sumber arus dengan seperti digambarkan pada Gambar 2-1b. Gambar 2 Rangkaian sumber arus untuk bias output penguat kelas A Arus bias untuk rangkaian tersebut dapat diperkirakan dengan memanfaatkan persamaan berikut I Bias = β(vccr2 V BE (R1 + R2)) R1R2 + (β + 1)R3(R1 + R2) Pada penguat daya kelas A sumber arus bias akan selalu mendisipasikan daya mendekati V CC I BIAS. Daya yang terdisipasi pada transistor tahap output akan berkisar dari V CC I BIAS saat amplituda tegangan input nol hingga V CC I BIAS/2 saat amplituda input maksimum (mendekati V CC). 2.2 Penguat kelas B push-pull Penguat kelas B pushpull menggunakan pasangan transistor NPN dan PNP (juga nmos dan pmos) yang seimbang dengan konfigurasi emitor bersama. Rangkaian dasar untuk tahap ouput penguat kelas B pushpull tampak pada Gambar 2-2a.
Pl = Vo2 2R L Dengan demikian daya terdisipasi pada masingmasing transistor akan bergantung pada amplituda tegangan output atau tegangan inputnya. PDQ = ( ṼoVcc ) ( Ṽo2 ) ΠR L 4R L Gambar 3 Penguat Push pull kelas B Pada penguat pushpull kelas B transistor NPN dan PNP bekerja bergantian. Saat siklus tegangan input positif maka junction base-emitter transistor QN akan mendapat tegangan maju sehingga transistor QN konduksi sedangkan junction baseemitter transistor QP akan mendapat tegangan mundur sehingga transistor QP dalam keadaan cut-off. Sebaliknya saat siklus tegangan input negatif junction base-emitter transistor QP yang akan mendapat tegangan maju dan transistor QP konduksi dan QN dalam keadaan cut-off. Adanya tegangan cut-in pada perilaku junction menyebabkan proses transisi transistor yang konduksi dari QN ke QP dan sebaliknya akan melalui saat kedua transistor dalam keadaan cutoff. Keadaan tersebut menyebabkan sinyal output terdistorsi. Pada penguat kelas B, dengan menganggap tegangan cut-in nol, arus yang diberikan catu daya dapat didekati sebagai half wave rectifed sinusoidal wave untuk masing-masing transistor. Dengan demikian daya rata-rata yang diberikan catu daya akan mendekati Output pada penguat kelas B pushpull mengalami distorsi cross over saat pergantian transistor yang konduksi akibat adanya tegangan cut-in pada transistor tersebut. Untuk menghilangkan distorsi tersebut dapat digunakan rangkaian umpan balik dengan penguat operasional. Rangkaian penguat kelas B seperti ini tampak pada Gambar 2-2b. Umpan balik dengan penguat operasional ini tidak hanya menekan distorsi cross over tetapi juga menekan distorsi akibat ketidakseimbangan penguatan arus transistor NPN dan PNP. Penguat operasional pada rangkaian ini akan menjaga tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Selesih tegangan input dan output akan membuat penguat operasional memmberikan tegangan lebih tinggi bila tegangan pada beban ternyata lebih rendah dari input dan begitu pula sebaliknya. Gambar 4 Rangkaian penguat pushpull kelas B dengan umpan balik opamp Ps = 2Ṽo ΠR L Vcc Daya yang disampaikan pada beban
2.3 Penguat kelas AB push-pull Cara lain untuk memekan distorsi cross over pada penguat B adalah dengan kedua transistor tetap konduksi saat tegangan input sekitar nilai nol. Untuk itu transistor diberikan tegangan bias yang cukup pada junction base-emitor. Pada cara ini transistor bekerja pada kelas AB. Cara sederhana untuk memperoleh tegangan bias yang menjamin transistor dalam keadaan konduksi saat tegangan input kurang dari tegangan cut-in adalah dengan menggunakan dioda seperti ditunjukkan pada Gambar 2-3. Kabel : Banana-Banana Merah 7 buah Banana-Banana Hijau 7 buah Banana-Buaya Merah 2 buah Banana-Buaya Hijau 2 buah Buaya-Buaya Merah 2 buah Buaya-Buaya Hijau 2 buah BNC-Banana 2 buah BNC-Buaya 2 buah BNC-BNC 1 buah 3.1 Penguat kelas A Susun Rangkaian sesuai Gambar 1 Beri input dari Generator Sinyal sebesar 2Vpp dan frekuensi 1kHz 3.1.1 Pengamatan kualitatif linieritas dan VTC Mengamati bentuk sinyal dalam mode dual trace Gambar 5 Penguat Pushpull kelas AB dengan diode untuk memberi tegangan bias Mengamati kurva VTC dalam mode xy 3. METODOLOGI 3.1 Alat dan komponen Kit praktikum penguat daya Generator sinyal Osiloskop digital dengan fungsi FFT Multimeter (minimum 2buah) Catu daya teregulasi (2 buah) Kabel dan sesori pengukuran Termometer infra merah Mengamati sinyal batas saturasi Mengubah R L menjadi 33Ω
3.1.2 Pengamatan linearitas kuantitatif Ubah RL=56Ω (1W), V IN pada batas saturasi, biasanya 9-10Vpp. kemudian ubah osiloskop kembali ke mode dual trace 3.2 Penguat Push pull kelas B Susun rangkaian sesuai Gambar 3 Beri input dari Generator Sinyal 4Vpp 1kHz. 3.2.1 Pengamatan kualitatif linieritas dan VTC Mengamati linieritas menggunakan FFT Mengamati distorsi pada V IN dan V OUT Amati batas saturasi Ubah V IN menjadi V pada batas saturasi dan amati kurva VTC dalam mode XY 3.2.2 Pengamatan linieritas kuantitatif Ubah V IN dan amati spektrum sinyal Mengamati spektrum sinyal dalam FFT 3.1.2 Pengamatan Daya Disipasi dan Daya pada Beban Ubah RL=56Ω (1W), V IN pada batas saturasi, biasanya 9-10Vpp. Kemudian osiloskop kembali ke mode dual trace Ubah V IN untuk 2, 4, 6, 10 Vpp. Hitung Daya catu, daya disipasi dan daya beban Ubah V IN menjadi V pada batas saturasi dan amati spektrum sinyal dalam FFT 3.2.3 Pengamatan Daya Disipasi dan Daya pada Beban Vin min, amati arus kedua catu daya, dan tegangan pada beban Ubah Vin 2, 4, 6, 10 Vpp. Hitung Daya catu, daya disipasi dan daya beban
3.2.4 Pengamatan Tahap Output Kelas B dengan Umpan Balik Penguat Operasional Susun rangkaian seperti Gambar 4 lalu ukur arus kedua catu daya Vin = 4Vpp 1 khz. Amati dan bandingkan dengan tanpa umpan balik Ubah Vin sehingga Vo masuk batas saturasi. Amati dan bandingkan bentuk kurva VTC tanpa umpan balik dalam mode XY 3.3.1 Pengamatan Kualitatif Linieritas dan VTC Amati & bandingkan dengan kelas B kemudian amati arus catu daya Lakukan kembali untuk R1=R2=1kΩ dan R1=R2=4,7kΩ Beri Vin sehingga Vo masuk batas saturasi. Amati kurva VTC dengan mode xy Lakukan kembali untuk R1=R2=1kΩ dan R1=R2=4,7kΩ 3.3.2 Pengamatan linieritas kuantitatif Pindahkan pengamatan output ke beban (ch. 2). Atur vin sehingga vo sedikit di bawah saturasi Kembalikan R1=R2=1kΩ, atur vin sehingga Vo sedikit di bawah saturasi Amati & bandingkan spektrum sinyal (FFT) Amati spektrum sinyal Amati (ch. 1) dan (ch. 2) dengan vin=min, ±10Vpp. Lakukan kembali untuk vin pada batas saturasi 3.3 Penguat kelas AB Hitung daya catu, daya disipasi, daya beban Susun rangkaian sesuai gambar 3.5 Beri input dari Generator Sinyal 4Vpp 1kHz. 3.3.3 Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban Beri vin=min dan amati Vin dan Vo Hitung daya catu, daya disipasi dan daya beban Ubah Vin=2,4,6, dan 10 Vpp.
4 Hasil dan analisis Berikut merupakan data setiap percobaan beserta analisisnya, 4.1 Penguat kelas A Gambar 8 Sinyal input dan output kelas A input melebihi batas saturasi pada mode dual trace, R L = 56ohm Gambar 6 Sinyal input dan output kelas A pada mode dual trace, R L = 56ohm Gambar 9 Kurva VTC kelas A input melebihi batas saturasi pada mode xy Gambar 7 Kurva VTC kelas A pada mode xy Tabel 1 Perubahan R L pada pengamatan kualitatif kelas A Terlihat pada grafik bahwa karakteristik output penguat kelas A adalah sudut konduksi yang penuh (360 o ). Juga terlihat dari VTC bahwa Vo/Vi sekitar 1. Saat tegangan input melebihi batas saturasi, grafik sinusoidal terpotong akibat dari mode transistor yang
berubah. Juga terlihat dari VTC perubahan input tidak menyebabkan perubahan output sehingga terlihat mendatar. Tabel 2 Tabel frekuensi kelas A yang didapat dari FFT Gambar 10 FFT spectrum output kelas A Vin = 2Vpp Tabel 3 Perubahan input dan arus kelas A Gambar 11 FFT spektrum output kelas A Vin = 4Vpp, melebihi batas saturasi Dari tabel di atas, terlihat baik Arus +Vcc maupun Vcc tidak terpengaruh perubahan besaran sinyal input. Efisiensi kelas A merupakan yang paling rendah dibandingkan kelas yang lain karena sudut konduksinya yang penuh. Dari grafik maupun tabel, terlihat bahwa yang paling menonjol hanyalah frekuensi dasar saja pada penguat kelas A. Amplituda pada frekuensi harmonik dasar bernilai jauh lebih besar dari frekuensi harmonik lainnya. Pada penguat A, frekuensi harmonik lainnya sulit dicari karena linieritas penguat A yang tinggi. Namun, saat penguat A diberi input yang melebihi batas saturasi maka terdapat bagian pada sinyal yang tidak linier sehingga amplituda frekuensi harmonik kedua dan seterusnya meningkat. Hal tersebut terlihat dari grafik maupun tabel.
4.2 Penguat kelas B 4.2.1 Penguat push-pull kelas B Gambar 14 FFT spectrum output kelas B Gambar 12 Sinyal input dan output pushpull kelas B pada mode dual trace Karena penguat pushpull kelas B ini memiliki distorsi, sehingga penguat ini linieritasnya rendah. Terlihat dari spectrum pada frekuensi harmonic selain harmonic dasar amplitudanya lebih besar daripada kelas A. Tabel 4 Perubahan input dan arus kelas B Gambar 13 Kurva VTC pushpull kelas B pada mode xy Terlihat pada kurva VTC di sekitar nol terdapat patahan. Hal ini merupakan distorsi cross over akibat transistor NPN dan PNP yang bergantian aktif. Penguat kelas B pushpull ini memiliki linieritas yang rendah. Perubahan tegangan input tidak terlalu mempengaruhi arus +Vcc maupun Vcc. Data untuk perubahan input dan arus pada penguat pushpull kelas B ini kurang cukup. Seharusnya bisa terlihat dari bahwa penguat pushpull kelas B memiliki efisiensi yang sangat besar jika dimasukkan ke rumusrumus berikut, Kurva terlihat sedikit aneh akibat noise pada kabel ataupun noise pada kit-kit yang lain. Kurva ini juga sekaligus berada pada batas saturasi, terlihat ada patahan sedikit di tegangan input yang paling rendah (paling kiri). Efisiensi pushpull kelas B pastinya lebih besar daripada efisiensi penguat kelas A.
4.2.2 Penguat kelas B dengan umpan balik Gambar 15 Sinyal input dan output kelas B dengan umpan balik Pada penguat kelas B dengan umpan balik, penambahan penguat operasional memperbaiki distorsi cross over akibat tegangan cut-in transistor. Sehingga, penguat kelas B umpan balik dapat menghasilkan sinyal output kembali ke bentuk sinusoidal yang mulus seperti sinyal input. Hal ini dikarenakan penguat operasional mengontrol sinyal output dengan perbedaan antara sinyal input dan sinyal output (yang diumpan balik). Oleh karena itu penambahan komponen penguat operasional ini membuat linieritas penguat menjadi lebih baik, Penguat operasional membuat batas saturasi lebih rendah dari sinyal output, hal ini dikarenakan penguat operasional hanya dapat menguatkan sinyal maksimum sebesar 80%. Penguat operasional ini juga menghilangkan distorsi akibat penguatan NPN dan PNP yang berbeda. Gambar 16 Kurva VTC kelas B dengan umpan balik pada mode xy Gambar 18 FFT spectrum output kelas B dengan umpan balik Frekuensi harmonik selain harmonik dasar juga lebih rendah daripada pushpull kelas B. Hal ini juga membuktikan bahwa penguat kelas B dengan umpan balik memiliki linieritas yang lebih baik. Gambar 17 Kurva VTC kelas B dengan umpan balik pada mode xy, melebihi batas saturasi
4.3 Penguat pushpull kelas AB besarnya nilai R1 dan R2. Semakin besar nilai hambatan maka amplituda tegangan keluaran akan semakin kecil. Sehingga dapat disimpulkan bahwa penguat kelas AB memilki linieritas yang baik seperti penguat kelas A. Gambar 21 Kurva VTC kelas AB pada mode xy, melebihi batas saturasi Gambar 19 Sinyal input dan output pushpull kelas AB pada mode dual trace Gambar 22 FFT spektrum input kelas AB Gambar 20 Kurva VTC kelas AB pada mode xy Gambar 23 FFT spektrum output kelas AB Analisis : Terlihat bila dibandingkan dengan penguat kelas B sebelumnya, pada penguat kelas AB tidak tampak distorsi. VTC penguat kelas AB berbeda dengan penguat kelas B. Stelah kurva linier, kurva distorsi terus menerus pada ujung-ujunganya. Tidak seperti kelas B. Penguat kelas AB saat diberi tegangan yang sangat kecil bahkan mendekati nol, kurva cukup linier. Ketika diberikan hambatan R1 dan R2 yang berbeda, VTC berubah. Semakin kecil nilai hambatan, maka kurva akan menjadi semakin linier dan cenderung memiliki kemiringan yang lebih besar (semakin kearah vertical), dan sebaliknya ketika diberikan hambatan yang besar, maka kurva akan lebih jelas terlihat dan cenderung lebih sejajar dengan sumbu horizontal (kemiringan kecil). Amplitudo sinyal output tergantung dari Gambar 22 FFT spektrum input kelas AB, melebihi batas saturasi
Gambar 23 FFT spektrum output kelas AB, melebihi batas saturasi Analisis : Ketika sinyal berada di bawah batas saturasi yang terlihat hanyalah frekuensi yang sederhana. Saat melebihi batas saturasi maka akan terlihat harmonik ganjil (yaitu harmonik ke-3, ke-5, dst). Tidak ada harmonik genap karena karena sinyal output tersaturasi positif dan negatif bersamaan sehingga akan dihasilkan sinyal output yang simetri ganjil. cross-over dihilangkan oleh penguat operasional. Penguat operasional ini berguna sebagai pengontrol output penguat kelas B dengan membandingkan sinyal input dengan sinyal umpan balik (sinyal output). Selisih (error) dari sinyal input dan sinyal output ini dijaga oleh penguat operasional tersebut. Namun hal ini mengurangi batas saturasi menjadi 80% dari Vcc yang diakibatkan oleh penguat operasional hanya mampu menguatkan sebesar 80%. Penguat kelas AB memiliki linieritas yang sangat baik seperti kelas A dan efisiensi seperti kelas B. Untuk linieritas dan batas saturasi bergantung dari besarnya hambatan R1 dan R2. Batas saturasi penguat kelas AB dan B berbeda. Penguat kelas AB dengan bias dioda batas saturasinya sangat bergantung pada nilai-nilai hambatan R1 dan R2. 5 Kesimpulan Dari percobaan Tahap Output Penguat Daya ini dapat disimpulkan bahwa, DAFTAR PUSTAKA [1] Mervin T. Hutabarat, Praktikum Elektronika 2, Laboratorium Dasar Teknik Elektro, ITB, 2016. [2] Adel S. Sedra, Microelectronic Circuits 7th Edition, McGraw Hill, Oxford, 2015 Penguat kelas A memiliki linieritas yang sangat baik. Distorsi pada penguat ini kecil. Akan tetapi, efisiensi dayanya sangat kecil dibandingkan kelas lainnya (kelas B dan AB). Bagian yang terdistorsi adalah bagian negatif sinyal output. Penguat kelas B memiliki linieritas yang kurang baik akibat adanya distorsi crossover yang disebabkan oleh tegangan cutin (tegangan yang dibutuhkan transistor untuk transisi mode). Akan tetapi, efisiensinya paling baik dibanding kelas lainnya (kelas A dan AB). Pada penguat kelas B dengan umpan balik penguat operasional memiliki linieritas yang lebih baik dari penguat pushpull kelas B biasa karena distorsi