[EL3109]_[modul 1]_[13213100]

(1)

MODUL 1 TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA Samuel Andrian (13213100)

Asisten: Bima Sahbian (13212013) Tanggal Percobaan: 25/09/2015 EL3109-Praktikum Elektronika 2

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika

ITB

Abstrak

Dalam Percobaan kali ini telah dilakukan percobaan percobaan untuk memahami tahap ourput penguat daya. Dengan melakukan percobaan ini diharapkan praktikan dapat emngamati dan mengenali klasifikasi penguat daya berdasarkan fungsi sinusoidal saat transistor konduksi. Fungsi sinosidal tersebut juga harus diukur dan dianalisa pada saat distorsi untuk penguat kelas A,B, dan AB. Selain itu juga harus diukur pula daya dan efisiensinya lalu dianalisa untuk penguat kelas A, B, dan AB. Kemudian sebagai opsional dapat dilakukan pengamatan , pengukuran dan analisa rangkaian termal sederhana unutk transistor daya.

Kata kunci: klasifikasi penguat, distorsi,efisiensi.

1. Pendahuluan

Memulai percobaan pada modul ini dimulai dengan percobaan Penguat kelas A kemudian percobaan penguat push pull kelas B lalu percobaan penguat pushpull kelas AB kemudian percobaan disipasi pada transistor dan rangkaian termal sebagai profesional . Untuk setiap percobaan yang telah dilakukan telah diamati pengamatan kualitatif linearitas dan VTC nya, telah diamati juga linearitas kuantitatifnya serta telah diamati juga daya disipasi dan daya pada bebannya. Sedikit perbedaan untuk penguat pushpull kelas B, rangkaian akan dimodifikasi dengan umpan balik penguat operasional. Kemudian dianalisa semua data data yang telah didapatkan saat praktikum, atau melakukan simulasi dengan spice untuk data data yang tidak didapatkan saat praktikum.

2. Studi Pustaka

2.1Tahap Output Penguat kelas A

Tahap output penguat kelas A untuk

konfigurasi Emitor Bersama (Common

Emitter) tampak pada Gambar 2-1a.

Gambar 2-1a : 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

(2)

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

Arus biasRL=Vcc−Vce

_satursi

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 2-1b : rangkaian sumbr arus

untuk bias output penguat kelas A

Arus bias untuk rangkaian tersebut dapat diperkirakan dengan memanfaatkan persamaan berikut

Arus bias=(

β

(

VccR 2−VBE ( R1+R 2)

)

R 1 R 2+( β +1) R 3 ( R 1+R 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).

2.2Penguat 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.

Gambar 2-2a : 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 base-emitter transistor QP akan mendapat tegangan mundur sehingga transistor QP

(3)

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

Ps=2

Ṽ ∗Vcc

o

ΠRL

Daya yang disampaikan pada beban

Pl=

Vo

2

2 Rl

Dengan demikian daya terdisipasi pada masing-masing transistor akan bergantung pada amplituda tegangan output atau tegangan inputnya.

PDQ=

(

Ṽ Vcc

o

ΠRL

)

−(

o

Ṽ

2

4 RL

)

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 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 2-2b : Rangkaian penguat

pushpull kelas B dengan umpan balik opamp

2.3Penguat 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.

(4)

Gambar 2-3 : Penguat Pushpull kelas AB

dengan diode untuk memberi tegangan bias

2.4Bacaan 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.

3. Metodologi

3.1Alat 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

3.2Langkah kerja 3.2.1 Penguat kelas A

1. Susun Rangkaian sesuai gambar 3-1 2. Lakukan pengamatan kualitatif

 Gunakan mode dual trace untuk sinyal input dan output

 Gunakan mode xy untuk mengamati VTC, perbesar amplitudanya sampai batas saturasi tegangan teramati

 Amati bentuk gelombang sinyal output yang melewati batas saturasi

 Ubah nilai RL menjadi 33Ω1W dan amati kembali kurva VTC nya catat batas saturasinya . bandingkan dengan hasil sebelumnyadan perhatikan apa yang menentukan batas saturasi

3. Pengamatan linearitas kuantitatif

 Atur rangkaian sesuai modul

 Gunakan fast fourier transform atur osiloskop sesuai dengan modul lalu amati spectrum sinyal input dan output

4. Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban

 Dengan menggunakan mode dual trace amati daya terdisipasi saat tidak sinyal input, saat tegangan input 2,4,6 dan 10 Vpp

3.2.2 Penguat Push pull kelas B

1. Susun rangkaian sesuai modul 2. Penguat kualitatif linearitas dan

VTC

 Amati sinyal input dan outputnya dari oasiloskop

 Naikan amplitudanya dan amati sampai masuk daerah saturasidan amati mode xy nya

3. Pengamatan Linier kuantitatif

 Saat input dibawah daerah saturasi ginakan FFT untuk melihat spectrum input dan outputnya

 Gunakan FFT juga untuk input diatas saturasi

 Gunakan sinyal terkecil dan amati daya terdisipasi pada catu daya dan pada bebannya

(5)

 Lakukan ulang untuk input 2,4,6 dan 10 Vpp

5. Dengan umpan balik pada opamp

 Susun rangkai kembali sesuai dengan modul lalu gunakan input 4Vpp kemudian bandingkan dengan data yang didapatkan sebelumnya

 Ubah dengan mode xy dan bandingkan dengan hasil tanpa umpan balik

 Pindah kan pengamatan ch2 ke output op amp amati dan catat bentuk kurvanya

 Kembalikan kepengamatan ch 2 ke titik pengamtan awal lalu catat FFT input dan outputnya

 Gunakan mode dual trace untuk input terkecil dan iput 10Vpp dan amati dayanya

3.2.3 Penguat psuhpull kelas AB

1. Susun Rangkaian sesuai dengan modul 2. Pengamatan Kualitas Linieritas VTC

 Amati bentuk gelombang sinyal output

 Lakukan kembali pengamatan dengan sinyal dan arus catu daya untuk R1=R2=1kΩ dan untuk R1=R2=4,7kΩ 3. Pengamatan linearitas kuantitatif

 Susun kembali rangkaian sesuai dengan modul gunakan FFT untuk mengamati spectrum input dan output

 Ulangi langkah diatas untuk amplitude input diatas saturasi dan dibawah saturasi

 Gunakan input generator sinyal terkecil, 2,4,6,10 Vpp dan amati daya masing masing input

Gambar 3-3 : Respon frekuensi filter 3.2.4 Percobaan membuat m-file untuk

melakukan pemfileran FIR

Buat algoritma m-file tanpa menggunakan fungsi pada MATLAB

4 Hasil dan analisis

Berikut adalah data dari setiap percobaan dan analisisnya.

4.1Penguat kelas A

Gambar 4-1a : sinyal input dan output

Gambar 4-1b : mode X-Y sinyal input

output

Gambar 4-1c : saturasi model dual trace

(6)

Gambar 4-1e : FFT spektrum output saat

sinyal input 4Vpp

Gambar 4-1f : FFT spektrum output saat

sinyal input berada di batas saturasinya Vin (Vpp) I Atas (mA) IBawah( mA) VBeban (Vpp) 200m 57,9 72,1 200m 2 57,8 72 2 4 57,4 72 4 6 57,2 72,9 6 10 61,2 72 7.5

Tabel 4-2a : variasi input output dan arus

kelas A

Vin DayaCatu (mW) Daya Beban (W) Daya Disipa si (W) 0,2 865.2 0.0003₅₇₁ 216.3 2 864 0.0357₁₄₃ 216 4 864 0.1428₅₇₁ 216 6 874.8 0.3214₂₈₆ 218.7 10 864 0.5022₃₂₁ 216

Tabel 4-1b : pengamatan daya disipasi

dan daya beban

Analisis :

untuk penguat kelas A dapat dilihat pada gambar 4-1a bahwa pada keadaan input dibawah saturasi maka besar gainnya Vo/Vi yaitu sebesar 1 sehingga gambar input outputnya pada mode dual trace terlihat serupa begitu pula pada mode X-Y pada gambar 4-1b gradiennya sebesar 1. Saat RL diubah menjadi 33 ohm grafik input outputnya tetap sama. Penguat rangkaian kelas A diatas memasuki saturasi pada saat Vin sebesar 17.5 Vpp. Dengan menggunakan FFT spectrum outputnya akan seperti gambar 4-1e dan 4-1f. dengan sinyal besar harmonik dasar pada 4-1e 9 volt dan sinyal harmonik kedua dan ketiga amplitudanya sama sebesar 2volt. Untuk gambar 4-1f sinyal harmonic pertamanya sebear 10volt dan kedua sebesar 7 volt dan ketiga sebesar 7 volt juga. Untuk pengamatan daya disipasi dan daya pada beban dapat diamati pada tabel 4-1a.

4.2Kelas B

Gambar 4-2a : sinyal input dan output

(7)

Gambar 4-2c : FFT sinyal input. Gambar 4-2d : FFT sinyal output

Vin / Nilai I Atas (mA) IBawah (mA) V Beba n (Vpp) 200m p 0 0 0 2 2,29 2,9 0,9 4 11,11 12,17 3 6 17,89 19,46 4,4 10 29,33 36,88 8

Tabel 4-2b : variasi input output dan arus

kelas B Vin / Daya Daya Catu (W) Daya Beban (W) Daya Disipas i (W) 0.2 0 0 0 2 0.1042₂₇ 0.0122₇₂₇ 0.0919₅₄₃ 4 0.3474₂₃₃ 0.1363₆₃₆ 0.2110₅₉₆ 6 0.5095₅₄₁ 0.2933₃₃₃ 0.2162₂₀₈ 10 0.9264₆₂₁ 0.9696₉₇ -0.0432 349

dan daya beban

Analisis :

untuk penguat kelas B dapat dilihat pada gambar 4-2a bahwa pada keadaan input dibawah saturasi maka besar gainnya Vo/Vi yaitu dibawah 1 sehingga gambar input outputnya pada mode dual trace terlihat seperti itu. terlihat pada mode X-Y garis miring pada saat Vo dibawah 0 kemudian garis lurus pada saat Vo sebesar 0 dan garis miring kembali pada saat Vo diatas 0 gambarnya dapat diamati pada gambar 4-2b. Penguat kelas B ini terdistorsi saat Vin sebesar 12Vpp. Dengan mode FFT diamati saat praktikum bahwa saat Frekuensi dasar Voutnya 10 volt dan frekuensi keduanya dan ketiganya sebesar 2volt. Sedangkan untuk daya disipasinya dapat diamati pada tabel 4-2a. Penguat kelas B ini saat diberikan umpan balik grafik input dan outputnya akan serupa seperti gabar 4-1a untuk input dibawah 7 Vpp maka gain Vo/Vi nya aka sebesar 1 sehingga grafik akan terlihat menyatu namun begitu inputnya dinaikan melewati 7 Vpp maka mulai akan terjadi distorsi. Saat digunakan FFT kembali dengan umpan balik maka amplitudenya akan berkurang menjadi 9 volt gambar dapat dilihat pada BCL.

4.3Kelas AB

Gambar 4-3a : Gambar 4-3b :

Vin /

Nilai I Atas(mA) IBawah(mA) VBeban(V) 200mVp p 4.743 5.634 135m 2 Vpp 11.453 11.499 667.6m 4 Vpp 26.49 27.48 1.335 6 Vpp 40.561 40.63 1.998 10 Vpp 49.444 49.578 3.227

Tabel 4-3a : variasi input output dan arus

kelas AB

(8)

Vin / Daya Daya Catu (W) Daya Beban (mW) Daya Disipas i (mW) 0.2 15.634₀₄₇ 276.13₆₃₆ -260.50 232 2 77.313₂₆ 6752.8₇₅₂ -6675.5 619 4 0.1546₀₃₄ 0.0270₀₃₄ 0.1275₉₉₉ 6 0.2313₈₃₉ 0.0604₈₄₉ 0.1708₉₉ 10 0.3737₁₁₆ 0.1577₈₀₇ 0.2159₃₀₉

dan daya beban

Analisis :

untuk penguat kelas AB bahwa pada keadaan input dibawah saturasi maka besar gainnya Vo/Vi yaitu sebesar 1 sehingga gambar input outputnya pada mode dual trace terlihat terlihat serupa kurang lebih gambarnya akan mirip seperti gambar 4-1a begitu pula pada mode X-Y akan bernilai 1 gambarnya tidak jauh berbeda dengan gambar 4-1b. Begitu R1 dan R2 di ubah ubah nilainya maka selama nilai input dibawah nilai saturasinya maka grafik dan gradiennya akan kurang lebih serupa. Penguat kelas AB ini terdistorsi saat Vin sebesar 10Vpp saat R1=R2= 1,8Kohm. Saat R1=R2=

1Kohm batas saturasinya berubah menjadi 12 Vpp. Sat R1=R2= 4,7 kohm batas saturasinya berubah saat menjadi Vin sebesar 7Vpp. Sedangkan Daya disipasi dan daya beban bisa dilihat pada tabel 4-3b.

5 Kesimpulan

Dari praktikum ini dapat disimpulkan bahwa:

 Pada praktikum ini diklasifikaikan menjadi 3 kelas yaitu A,B dan AB tiap kelas memiliki sifat sifat tersendiri

 Setiap kelas memiliki level level distorsi yang berbeda untuk Vcc yang sama

 Seriap kelas memiliki cara tersendiri untuk menghitung efisiensinya

DAFTAR PUSTAKA

[1] Mervin T. Hutabarat, Praktikum Elektronika 2, Laboratorium Dasar Teknik Elektro, ITB, 2015.

[2] Adel S. Sedra, Microelectronic Circuits 6th Edition, McGraw – Hill, Oxford, 2009