Modul 6 Tahap Output Penguat Daya

(1)

R

L

Q

1

IBIAS -V

CC

v

IN

+V

CC

v

O

-+ MODUL 6 TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA

Angellina Trisno Putri (18015001)

Asisten: Fadilah Nur A. Tanggal Percobaan: 06/04/2017

EL2205-Praktikum Elektronika

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Pada modul kali ini praktikan melakukan beberapa percobaan mengenai penguat daya. Penguat daya terbagi menjadi 4 kelas, yaitu kelas A, B, AB, dan C. Dalam modul ini, hanya ada 3 kelas yang diamati yaitu penguat kelas A, B, dan AB. Perbedaan antar kelas penguat terletak pada output swing, distorsi, dan daya disipasi maksimum. Selain itu juga diamati rangkaian termal sederhana untuk transistor daya.

Kata kunci: penguat daya, swing, distorsi, daya disipasi maksimum, rangkaian termal

1. PENDAHULUAN

Pada Praktikum Elektronika modul ini, bertujuan agar praktikan dapat melakukan percobaan dan pengamatan secara langsung mengenai karakteristik dari tiap kelas tahap output penguat daya. Dari praktikum ini tujuan yang ingin dicapai adalah:

1) Mengamati dan mengenali klasifikasi penguat berdasarkan bagian fungsi sinusoidal saat transistor konduksi 2) Mengukur dan menganalisa distorsi

pada tahap output penguat pada kelas A, B, dan AB.

3) Mengukur dan menganalisa daya dan efisiensi penguat kelas A, B, dan AB. 4) Mengamati, mengukur, dan

menganalisa rangkaian termal sederhana untuk transistor daya (opsional).

2. STUDI PUSTAKA

TAHAP OUTPUT PENGUAT KELAS A

Tahap output penguat kelas A untuk konfigurasi Emitor Bersama (Common Emitter) tampak pada Gambar 1 di bawah

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

=V

_CC

−V

_CEsat Persamaan 1

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

(2)

R

1

R

2

R

3

QBIAS IBIAS -V

CC

R

L

Q

N

+V

CC

v

O

-+ Q

P

-V

CC

v

IN

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.

Gambar 2 Rangkaian sumber arus untuk bias tahap output penguat kelas A Arus bias untuk rangkaian tersebut dapat diperkirakan dengan memanfaatkan persamaan berikut

I

_Bias

=

β

(

V

CC

R

2

−V

BE

(

R

1

+

R

2

)

R

₁

R

₂

+

(

β+1) R

₃

(

R

₁

+

R

₂

)

Persamaan 2

Pada penguat daya kelas A sumber arus bias akan selalu mendisipasikan daya mendekati VCC IBIAS. Daya yang terdisipasi pada transistor

tahap output akan berkisar dari VCC IBIAS saat

amplituda tegangan input nol hingga VCC

IBIAS/2 saat amplituda input maksimum

(mendekati VCC).

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 3.

Gambar 3 Penguat pushpull 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 base-emitter transistor QP akan mendapat tegangan

mundur sehingga transistor QP dalam

keadaan cut-of. 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 cut-off. 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

P

S

=

2 π

^

V

_O

R

L

V

CC Persamaan 3 Daya yang disampaikan pada beban

P

_L

=

1

2 ^

V

O 2

R

_L Persamaan 4 Dengan demikian daya terdisipasi pada masing-masing transistor akan bergantung

(3)

VIN RL +VCC -VCC -VCC +VCC vO vE vIN pada amplituda tegangan output atau

tegangan inputnya.

P

_DQ

=

1 π

^

V

O

R

_L

V

CC

−

1

4 ^

V

O 2

R

_L Persamaan 5

Ouput 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 4. 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 umpanbalik dengan opamp 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

(4)

menggunakan dioda seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

BACAAN LANJUT

Sedra, A dan Smith, K. Microelectronic Circuits, International 6th Edition, Oxford University Press, 2011 Bab 4 Transistor BJT dan Bab 13 Tahap Output dan Penguat Daya.

(5)

VIN RL RS +VCC -VCC D1 D2 R1 R2 QN QP

Gambar 5 Penguat pushpull kelas AB dengan dioda untuk pemberi tegangan bias 2.1 JUDUL SUB-BAB

Sub-bab pada modul kali ini yaitu:

 Penguat kelas A

 Penguat Pushpull kelas B

 Penguat Pushpull kelas AB

 Disipasi pada Transistor dan Rangkaian Termal

3. METODOLOGI

Alat dan komponen yang digunakan adalah:

 Kit praktikum penguat daya 1

 Generator signal 1

 Osiloskop digital dengan fungsi FFT 1

 Multimeter (minimum 2)

 Catu daya te-regulasi 2

 Kabel dan aksesori pengukuran

 Thermometer inframerah Memulai Percobaan

1. Penguat Kelas A Menyusun rangkaian

(6)

Pengamatan Kualitatif Linearitas dan VTC

Pengamatan Linearitas Kuantitatif

(7)

Pengamatan Daya Disipasi Penguat dan Beban

2. Penguat Pushful Kelas B Menyusun rangkaian

(8)

Pengamatan tahap output kelas B dengan umpan balik Penguat Operasional

3. Penguat pushful kelas AB

Menyusun rangkaian

(9)

4. Disipasi pada Transistor dan Rangkaian Thermal

Mengakhiri Percobaan

4. HASIL DAN ANALISIS 4.1 PENGUAT KELAS A

 Pengamatan Kualitatif Linearitas dan VCT

Pada percobaan pertama ini dilakukan pengamatan kualitratif linieritas dan VTC pada penguat kelas A. Dibuat rangkain penguat kelas A terlebih dahulu dengan nilai-nilai komponen sesuai dengan metodologi. Lalu diberikan input penguat yang berasal dari generator sinyal sinusoidal dengan input tegangan sebesar 2 Vpp dan frekuensi 1 kHz. Kemudian diperoleh hasil sinyal sebagai berikut :

. Dari gambar diatas (Gambar 7 dan 8) terlihat bahwa sinyal input hampir identic dengan sinyal

output, dimana tegangan output memiliki

peak to

peak yang sama (hanya bergeser kebawah) dengan tegangan inputnya. Hal ini berarti bahwa

penguatan yang dihasilkan pada penguat

kelas A

adalah mendekati 1. Selain itu terlihat pula dari

kutva karakteristik VTC yang dihasilkan berbanding lurus (linier) atau memiliki kemiringan 1 V/V.

Pada saat tegangan output diperbesar hingga mendekati batas saturasinya, tegangan

(10)

yaitu sebesar 7.28 Vpp. Berikut kurva karakteristik

VTC dan sinyal input-output mode dual trace saat

terjadinya saturasi :

Besarnya tegangan input saat outputnya berada

pada batas saturasi yaitu sebesar 2,8 Vpp. Pada Gambar 10 terlihat bahwa sinyal output terpotong pada bagian bawah. Batas saturasi bawah pada penguat kelas A bergantung pada besarnya nilai resistansi beban. Apabila dibandingkan besarnya tegangan saat

saturasi untuk RL 56 Ω dan 33 Ω diketahui

bahwa semakin kecil nilai resistansi beban (RL) maka semakin kecil pula swing

outputnya sehingga batas saturasinya semakin turun.

 Pengamatan Linearitaas Kualitatif Dikembalikan beban pada nilai resistansi beban

sebesar 56 Ω. Lalu diturunkan tegangan input menjadi dibawah 7.2 Vpp. Dengan menggunakan

mode Fast Fourier Transfor (FFT) pada osiloskop,

kita dapat mengamati sinyal penjumlahan dari

berbagai sinyal sinusoidal.

Frekuensi Sinyal input Sinyal output

1 kHz 4,92 dB 4,84 dB

Table 2 pengukuran amplitude spectrum pada saat Vin << V batas saturasi dan saat Vin >> V batas saturasi

Frekuensi / spektrum

Vin kecil Vin besar

1 kHz -3,5 dB 15,2 dB

2kHz Tidak tercatat -7,13 dB 3 kHz Tidak tercatat Tidak tercatat Pada pengamatan linieritas kuantitatif ini, diperolehh tiga kondisi sinyal input yang berbeda

yaitu saat sinyal input berada dibawah batas saturasi, pada batas saturasi dan diatas batas

saturasi. Saat sinyal input berada dibawah batas

saturasi, sinyal output masih berbentuk sinusoidal

dan pada FFT nya hanya menghasilkan amplitude

sinyal pada frekuensi dasar saja. Berbeda halnya

ketika kita mengamati saat sinyal berada pada

batas saturasi dan diatas daerah saturasi, sinyal

output menjadi terpotong atau dengan kata lain

sinyal output sudah mulai mengalami distorsi.

Sinyal output tidak berbentuk sinyal sinusoidal lagi, sehingga pada FFT nya tidak hanya menghasilkan amplitude sinyal

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

₁

(11)

frekuensi dasar saja tetapi juga amplitude pada frekuensi harmonic kedua dan ketiga. Karakteristik lain dari sinyal spectrum yang dihasilkan yaitu amplitude sinyal harmoniknya

menjadi semakin mengecil. Hal tersebut menandakan distorsi semakin terlihat saat tegangan melebihi daerah saturasi. Selain itu semakin besar frekuensi, maka semakin kecil pula

spectrum amplitudenya. Karaketeristik ini menjelaskan mengapa untuk nilai tegangan input yang berbeda-beda menghasilkan nilai penguatan

yang berbeda-beda pula meskipun perbedaannya

sangat kecil.

 Pengamatan Daya disipasi dan daya beban

Selanjutnya dilakukan pengukuran nilai arus pada

bjt yang dihubungkan dengan catu daya positif,

arus pada bjt yang dihubungkan dengan catu daya negative, serta dilakukan pengukura tegangan output pada beban. Berikut data yang diperoleh :

Vinput I+ (mA) I- (mA) Vo (V) Vmin 1,188 x 10^-3 Tidakterbaca 1,07 2Vpp 0,724 2,04 1,42 4Vpp 1,101 10,46 1,67 6Vpp 1,208 19,37 2,93 10Vpp 1,301 32,46 3,74

Setelah data I+, I-, serta Vo seperti table diatas,

dengan menggunakan rumus (F 2) – (F 5) dilakukan perhitungan untuk mencari daya sumber, daya beban, daya disipasi, dan efisiensi

penguat sebagai berikut :

Untuk tegangan input dan output yang kecil, menghasilkan daya beban dan disipasi yang kecil

pula. Sehingga dapat dikatakan bahwa daya beban dan daya disipasi berbanding lurus dengan nilai tegangan input dan outputnya. Berdasarkan

perhitungan daya diatas, diperoleh bahwa daya

disipasi rata-rata transistor adalah sebesar

0.583 W.

Untuk input paling besar 10 Vpp menghasilkan

daya disipasi yang cukup kecil yaitu 11.58 %. Sehingga diperoleh pula range efisiensi yaitu sekitar 0.4 – 11.58 %. Teori pada referensi [2] menyatakan bahwa efisiensi untuk penguat kelas A berselang antara 10-20 % dan efisiensi maksimum 25 %. Apabila dibandingkan, maka hasil percobaan dapat dikatakan sudah mendekati teori. Namun karena beberapa kesalahan yang mungkin terjadi saat percobaan (seperti ketidak telitian praktikan dalam pengukuran nilai arus dan tegangan) sehingga menghasilkan data yang tidak sama persis dengan teori. 4.2 PENGUAT PUSHFUL KELAS B

 Pengamatan Kualitatif Linearitas dan VCT

Pada percobaan kedua ini dilakukan pengamatan kualitatis linieritas dan VTC sama seperti pada percobaan 1 namun dengan rangkaian penguat kelas B. Berikut hasil pengamatan yang diperoleh :

(12)

Pada Gambar 12 dan 13 diatas dapat terlihat bahwa sinyal input dan output tidak linier. Meskipun sinyal input diatur pada nilai yang masih berada dibawah nilai saturasi, namun sinyal output yang dihasilkan sudah mengalami distorsi cross-over (sesuai dengan teori). Terjadnya distorsi ini disebabkan karena terdapat tegangan cut-in junction pada transistor yang menyebabkan perpindahan kondisi aktif transistor dari transistor NPN ke transistor PNP dan sebaliknya. Sehingga untuk nilai input pada range batas tegangan VBE (-0.7 V sampai 0.7 V), transistor tidak diperkuat karena transistor berada pada daerah cut-of.

 Pengamatan Linearitas Kualitatif Selanjutnya dilakukan perngamatan linieritas kuantitatif seperti pada penguat kelas A, dan diperoleh data sebagai berikut :

Frekuensi/spectrum

Input

Output

1kHz

7,22 dB 6,86 dB

Saat Vin minimum FFT tidak terlihat. Berdasarkan teori, pada keadaan sinyal input berada dibawah nilai batas saturasinya , FFT nya menghasilkan amplitude sinyal pada frekuensi dasar, harmonic pertama, dan harmonic kedua. Hal ini dikarenakan pada keadaan tersebut sinyal output sudah mengalami distorsi. Sehingga jika sinyal input terus dinaikan pada nilai batas saturasi atau melebihinya, maka nilai amplitude frekuensinya akan semakin besar. Selain itu, pada penguat kelas B ini range nilai sebelum batas saturasinya lebih lebar dari penguat kelas A.

 Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban

Vin (Vpp) I+ (mA) I- (mA) Vo (V)

Minimum 46,94 59,8 5,0

2 45,948 58,8 0,15

4 45,84 58,7 0,73

6 46,625 59 1,29

10 54,316 59,3 2,81

Dapat dilihat bahwa pada tegangan input dan output yang kecil, menghasilkan daya beban dan

disipasi yang kecil pula. Sehingga dapat dikatakan

bahwa daya beban dan daya disipasi berbanding lurus (linier) dengan nilai tegangan

input dan

outputnya. Berdasarkan data perhitungan daya diatas, didapatkan daya disipasi rata-rata sebesar

63.6 mW. Selain itu, ada input maksimum sebesar

10 Vpp diperoleh nilai efisiens yang cuku besar yaitu 58.14 %. Berdasarkan teori pada referensi [2]

menyatakan bahwa untuk penguat kelas B, memiliki nilai maksimum efisiensi sebesar �/4 atau

78.5 %. Jika membandingkan kedua nilai efisiensi

tersebut maka dapat dikatakan bahwa praktikum

telah berhasil karena data yang diperoleh telah sesuai dengan referensi teori yang ada.

 Pengamatan Tahap output Kelas B dengan feedback dari op-amp Selatelah dilakukan pengamatan pada penguat

keas B, juga dilakukan pengamatan pada penguat

kelas B yang diberi umpan balik (feedback) penguat

operasional. Berikut hasil yang diperoleh :

₁

(13)

Berbeda dengan hasil penguatan kelas B sebelumnya, penguat kelas B dengan umpan balik

op amp menghasilkan sinyal output yang hampir

sama dengan sinyal inputnya (penguatan 1) dan

tidak terdapat distorsi. Penambahan op amp pada

penguat kelas B ini berfungsi untuk menjaga tegangan output agar sama dengan tegangan

inputnya. Tidak hanya itu, op amp juga berperan

untuk menekan distorsi akibat ketidak seimbangan penguatan arus transistor NPN

dan PNP.

Dilihat dari kurva karakteristik tegangan, output

op amp terlihat sebagai komplemen dari sinyal

distrosi cross-over sehingga apabila kedua sinyal

dijumlahkan maka diperoleh kurva karakteristik

yang linier.

Untuk hasil FFT saat sinyal input berada dibawah

nilai batas saturasi hanya memiliki frekuensi dasar.

Lalu sinyal input yang melewati nilai batas saturasinya memiliki frekuensi dasar, harmonic kedua, dan harmonic ketiga.

Table 9 pengamatan spektrum FFT penguat kelas B dengan feedback opamp

Frekuensi desibel

1 kHz 7,26 dB

3,1 kHz -18,7 dB

4,1 kHz Tidak tercatat

Berdasarkan data pengamatan kualitatif pada percobaan diatas diketahui bahwa penguatan tidak murni linier. Hal ini karena yang semakin besar frekuensi harmoniknya, amplitude sinyal yang dihasilkan menjadi semakin kecil. Sehingga ketidaklinieraan lebih kecil jika dibandingkan dengan penguat kelas B tanpa menggunakan feedback dengan op amp

 Daya beban dan disipasi pada penguat kelas B dengan feedback opamp

Percobaan ini dan selanjutnya tidak mendapatkan data karena kehabisan waktu saat praktikum. Tetapi berdasarkan simulasi, didapatkan sifat dari penguat kelas B dengan feedback opamp yaitu efisiensinya berkurang.

4.3 PENGUAT PUSHFULL KELAS AB Percobaan ini tidak sempat dilakukan karena kehabisan waktu. Berdasarkan simulasi, sifat dari penguat kelas AB adalah batas Vin agar terjadi distorsi pada output menjadi lebar dan tidak ada cross-over distorsion seperti pada penguat kelas B.

(14)

4.4 DISIPASIPADA TRANSISTOR DAN RANGKAIAN TERMAL

Percobaan ini tidak sempat dilakukan dan tidak dapat disimulasikan di rumah.

5. KESIMPULAN

Percobaan yang dilakukan pada praktikum 6 tahap output penguat daya ini bertujuan antara lain untuk mengamati karakteristik dari ketiga kelas penguat yaitu kelas A, B,

dan AB. Setelah

dilakukan pengamatan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut :

 Tahap output penguat daya terdiri dari beberapa kelas yang tiap-tiap kelas tersebut memiliki kelemahan dan kelebihan masing-masing. Faktor yang memberdakan tiap kelas tersebut yaiut dilihat dari batas penguatannya, linieritas (kualitatif dan kuantitatif), daya disipasinya, serta efiensi yang dihasilkan.

 Kelas penguat yang linier secara kualitatif

belum tentu dapat dikatakan linier secara

kuantitatif.

 Penguat kelas A memiliki swing sinyal yang baik, namun untuk batas bawah sinyalnya masih terpengaruh oleh nilai RL

yang digunakan (apabila arus bias tidak

mencukupi). Distorsi saturasi terjadi ketika rangkaian diberi tegangan input yang terlalu besar. Pada penguat kelas A, daya disipasi yang dihasilkan cukup besar

sedangkan efisiensi maksimumnya cukup

kecil (berkisar antara 10 – 20 %).

 Penguat kelas B terjadi distorsi cross-over

yang disebabkan karena adanya tegangan

cut-in pada transistor. Daya disipasi yang

dihasilkan pada penguat kelas B berbanding lurus dengan inputnya. Distorsi cross-over yang terjadi pada penguat kelas B ini, dapat minimalisasi dengan penambahan rangkaian umpan balik (feedback) operasional amplifier . Namun dengan penambahan feedback ini dapat mengurangi sedikit efisiensi dari rangkaian

 Penguat kelas AB merupakan kelas yang

mengkombinasikan kelebihan-kelebihan

dari penguat kelas A dan penguat

kelas B.

Dari rangkain penguat kelas AB hasil yang diperoleh yaitu sinyal output dengan swing yang baik serta linieritas yang baik namun dengan tidak adanya distorsi cross-over.

 Secara garis besar dapat disimpulkan bahwa untuk batas penguatan, linieritas, daya disipasi, dan efisiensi dari suatu penguatan paling baik adalah penguat kelas AB., dan penguat kelas A lebih baik daripada penguat kelas B.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Mervin T.,Hutabarat, Praktikum Rangkaian Elektrik, Laboratorium Dasar Elektro ITB, 2017

[2] Adel S. Sedra and Kennet C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford

University Press, USA, 2004. [3] https://arhild.wordpress.com/2012/ 01/07/penguat-kelas-a/, 9 April 2017, 10:40. [4] https://tektro2011.files.wordpress.c om/2013/02/chapter_7_output_peng uat_daya.pdf, 9 April 2017, 10:39.