BAB 2
Dasar Penguat Daya
Dalam bab ini kita akan melihat rancangan penguat daya dasar secara lengkap.
Beberapa informasi tentang transistor akan dibahas dulu, diikuti dengan analisa
sederhana rangkaian fungsional yang tidk dapat diabaikan untuk membangun
rangkaian penguat lengkap. Ini akan memberikan landasan untuk analisa lengkap
penguat dasar yang mengikutinya.
2.1 Tentang Transistor Bipolar
Bati Arus
Jika arus kecil dimasukkan (source) ke basis transistor NPN, arus yang cukup
besar mengalir pada kolektor. Perbandingan dua arus ini adalah bati arus, umumnya
disebut beta (
) atau hfe. Hal ini juga berlaku untuk transistor PNP, jika arus kecil ditarik
(sink) dari basis, arus yang cukup besar mengalir pada kolektor.
Bati arus transistor sinyal kecil tipikal berkisar 50 hingga 200. Untuk transistor
keluaran,
berkisar 20 hingga 100. Beta dapat sedikit bervariasi dari transistor ke
transistor dan sedikit dipengaruhi arus kolektor dan tegangan kolektor.
Karena
transistor dapat sedikit berbeda, rangkaian biasanya dirancang
sedemikian sehingga operasinya tidak dipengaruhi nilai
transistornya
. Sebaliknya,
rangkaian dirancang sedemikian sehingga ia bekerja baik untuk nilai
minimum dan
lebih baik ketika
sangat tinggi. Karena terkadang
sangat tinggi, biasanya menjadi
praktek yang buruk untuk merancang rangkaian yang tak pantas jika
menjadi sangat
tinggi (
it is usually bad
practice to design a circuit
that would misbehave
if
became
very high
). Transkonduktansi (gm) transistor secara nyata merupakan parameter
rancangan yang lebih dapat diprediksi dan penting (
as long as
is high enough not to
matter much
, selama
cukup tinggi tidak menjadi masalah banyak). Transkonduktansi
transistor adalah perbandingan perubahan arus kolektor sebagai tanggapan terhadap
perubahan tegangan basis-emiter, dalam satuan siemens (S, amp per volt)
gm =
Ic /
Vbe
Karakteristik arus kolektor disajikan pada Gambar 2.1 memberi ilustrasi perilaku
bati arus transistor. Kurva tersebut memperlihatkan bagaimana arus kolektor meningkat
karena peningkatan tegangan kolektor-emiter (Vce), dengan arus basis sebagai
parameter. Kemiringan keatas masing-masing kurva dengan peningkatan Vce
mengungkapkan sedikit ketergantungan
pada tegangan kolektor-emiter. Spasi kurva
Gambar 2.1
Beta can be a strong function of current when current is high; it can
decrease quickly with increases in current. This is referred to as
beta droop
and can be a source of distortion in power amplifers. A typical power
transistor may start with a
of 70 at a collector current of 1 A and have its
fall to 20 or less by the time
I
creaches 10 A. This
is especially important when the amplifer is called on to drive low load
impedances. This is sobering (cenderung menjadikan serius) in light of
(
considering) the current requirements illustrated in Table 1.3.
IB = 500u
400u
300u
200u
Tegangan Basis-Emiter
BJT memerlukan tegangan panjar maju tertentu pada sambungan basis-emiter untuk mulai mulai mengalirkan arus kolektor. Tegangan turn-on ini biasanya disebut Vbe. Untuk transistor silikon, Vbe biasanya antara 0,5 hingga 0,7 V. Nilai Vbe sebenarnya bergantung pda rancangan devais transistor dan besarnya arus kolektor (Ic).
Tegangan basis-emiter meningkat sekitar 60 mV untuk setiap dekade kenaikan arus kolektor. Ini mencerminkan hubungan logaritmis Vbe terhadap Ic. Untuk 2N5551, sebagai contoh, Vbe = 600 mV pada 100 A dan meningkat menjadi 720 mV pada 10 mA. Ini bersesuaian dengan kenaikan 120 mV (720 mV – 600 mV) dalam dua dekade (100:1) kenaikan pada arus kolektor (10 mA – 100 A 10 mA).
Arus kolektor kecil sebenarnya mulai mengalir pada nilai panjar maju yang kecil (Vbe). Bahwasanya, arus kolektor meningkat secara eksponensial terhadap Vbe. Itulah mengapa sepertinya ada tegangan turn-on yang cukup baik didefnisikan ketika arus kolektor diplot terhadap Vbe pada koordinat linier. Ini menjadi garis lurus ketika log arus kolektor diplot terhadap Vbe. Beberapa rangkaian, seperti multiplier, memanfaatkan besarnya ketergantungan logaritmik dari Vbe pada arus kolektor. Ambil jalan lain, arus kolektor meningkat secara eksponensial terhadap tegangan basis-emiter, dan kita memiliki pendekatan:
V / Vbe T C S
I I e
dimana, tegangan VT disebut tegangan thermal. Disini VT berkisar 26 mV pada temperatur ruang dan ia sebanding dengan temperatur absolut. Ini memainkan peran ketergantungan temperatur dari Vbe. Bagaimanapun, sebab utama ketergantungan temperatur dari Vbe adalah peningkatan pesat temperatur dari arus saturasi IS. Hal ini pada akhirnya menghasilkan koefsien temperatur negatif dari Vbe sekitar -2,2 mV/C.
Penyajian tegangan basis-emiter sebagi fungsi arus kolektor,
be T C S
V
V ln I / I
dimana ln(IC/IS) adalah logaritmis natural dari perbandingan IC/IS. Nilai Vbe disini adalah tegangan basis-emiter intrinsik, dimana beberapa tegangan jatuh pada resistansi basis dan resistansi emiter tidak dilibatkan.
Vbe transistor daya mulai muncul pada tegangan yang lebih kecil pada arus kolektor kecil sekitar 100 mA, tetapi mungkin meningkat secara substansial pada 1 V atau lebih pada rentang arus dalam kisaran 1 hingga 10 A. Pada arus dibawah 1 A, Vbe khas mengikuti aturan logaritmis, peningkatan sekitar 60 mV per dekade dari peningkatan arus kolektor. Sebagai contoh, Vbe bisa meningkat dari 550 mV dapa 150 mA menjadi 630 mV pada 1 A. Ini bahkan lebih dari 60 mV per dekade.
Diatas sekitar 1 A, Vbe lawan Ic untuk transistor daya sering mulai berperilaku linier seperti resistansi. Dalam contoh yang sama, Vbe mungkin meningkat menjadi sekitar 1,6 V pada 1 A. Ini akan sesuai dengan adanya resistansi seri sekitar 0,1 pada emiter. Hambatan emiter aktual yang secara fsika belum tentu dari peningkatan Vbe. Tegangan jatuh melintas resistansi basis RB yang disebabkan arus basis sering menjadi lebih berarti. Tegangan jatuh ini akan sama dengan RB(IC/). Sumbangan efektif resistansi RB yang terlihat dari emiter adalah RB/. Resistansi basis dibagi dengan sering menjadi sumber dominan perilaku ini.
Pertimbangkan transistor daya beroperasi pada IC = 10 A dan memiliki resistansi basis 4 , suatu pengoperasian 50, dan resistansi emiter 20 m. arus basis akan menjadi 200 mA dan jatuh tegangan melintas resistansi basis akan menjadi 0,8 V. Jatuh tegangan melintas resistansi emiter akan menjadi 0,2 V. penambahan Vbe intrinsik mungkin 660 mV, tegangan basis-emiter menjadi 1,66 V. dengan demikian mudah unutk melihat bagaimana Vbe yang agak tinggi dapat terjadi untuk transistor daya pada arus operasi besar.
Gummel Plot
Jika log dari arus kolektor diplot sebagai fungsi Vbe, hasilnya adalah kurva yang sangat nyata.
Simulasi
DC Analysis:
Range 0.2 to 0.95 step 0.01
Auto range scale
Y expression: IC(Q1), IB(Q1), and IC/IB on log scale
X expression V2
Skala linier skala vertikal logaritmis Warna hijau: Ic/Ib dengan variasi VBE
variasi ib
Seperti disebutkan di atas, idealnya ia adalah garis lurus. Diagram menjadi lebih berguna dan mendalam jika arus basis diplot pada sumbu yang sama. Ini disebut plot Gummel (Gummel plot). The magic lies in
2.2 Circuit Building Block
Tahap Emiter Sekutu
Gambar 2.5a
Vout = -gmRL = -RL/re’ di mana gm = ic/vbe dengan menyatakan perubahan kecil.
iC = IsevBE/nVT Vout
Pendekatan kurva dengan EXCEL ada di fle: DistorsiEksponensial.xlsx.
Meskipun trendline polinomial tepat namun deret Taylor lebih baik karena harga koefsiensnya dapat kita prediksi. Model BC547 dari MC9: Is = 7,89E-15 dan n = 1 pada T = 300K
diperoleh VT = 26 mV. Tegangan bias vBE = 0,65 V dan vBE = 5 mV
diperoleh
Trendline:
y = 2832,x6 - 10651x5 + 16717x4 - 14014x3 + 6618,x2 - 1669,x + 175,6
Taylor:
y = 1,0524e-5 + 4,0477e-4(vBE – VBIAS) + 7,784e-3(vBE – VBIAS)2 +
Menggunakan Persamaan (18-6) dari buku Millman maka arus iC adalah:
ic = G1ib + G2ib2
di mana G1 =- 1669
Is n k q
7.89E-15 9.68E-01 1.38E-23 1.60E-19
B1 B2 B3
3.15E-13 6.30E-12 8.40E-11
tegangan keluaran tahap CE adalah perkalian arus kolektor dengan RL, dengan mengacu rangkaian ekivalen diperoleh
vout = -iCRL
