BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Dalam matakuliah Elektronika II telah dipelajari beberapa teori tentang rangkaian common seperti common basis, common emitter, dan common collector. Salah satu penerapan dari rangkaian common emitter adalah penguat kelas A. Penguat kelas A ini terdiri dari rangkaian CE, dimana titik Q nya itu berada tepat ditengah-tengah garis beban DC.
Dalam teori kita telah mempelajari cara merancang penguat kelas A dengan perhitungan-perhitungan dan karakteristik dari penguat kelas A itu sendiri. Untuk membuktikan rancangan yang kita buat, maka kita harus mempraktikannya secara langsung. Maka dari itu, untuk memenuhi tugas matakuliah Elektronika II dan untuk membuktikan rancangan penguat yang telah kita buat menghasilkan output yang sesuai dengan apa yang kita inginkan.
Penguat kelas A ini adalah penguat tegangan. Tegangan output yang dihasilkan akan memiliki nilai tegangan yang lebih besar daripada tegangan inputnya. Hal ini karena terdapat penguatan dalam rangkaian tersebut. Sinyal output yang dihasilkan akan berbanding terbalik dengan sinyal inputnya. Jika rancangan yang kita buat tepat, maka tidak akan terjadi perpotongan sinyal pada sinyal outputnya.
1.2. Perumusan Masalah
1. Bagaimana karakteristik penguat daya kelas A ?
2. Bagaimana membuat rancangan penguat daya kelas A ? 3. Bagaimana cara kerja penguat daya kelas A ?
4. Apakah ada perbedaan output yang dihasilkan antara rancangan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran ?
1.3. Tujuan Penulisan
1. Memahami karakteristik penguat daya kelas A 2. Dapat membuat rancangan penguat daya kelas A 3. Memahami cara kerja penguat daya kelas A
4. Mengetahui perbedaan output yang dihasilkan antara rancangan hasil perhitungan dengan hasil pengukuran
BAB II PEMBAHASAN PENGUAT DAYA KELAS A
Apabila sebuah transistor mempunyai titik Q didekat tengah-tengah dari garis beban DC, suatu sinyal AC yang kecil mengakibatkan transistor bekerja di daerah aktif dalam seluruh siklusnya. Apabila isyarat membesar, transistor terus bekerja di daderah aktif selama waktu mencapai puncak-puncaknya sepanjang garis beban titik jenuh dan titik pancung tidak terpotong. Untuk membedakan cara operasi ini dari jenis-jenis lainnya, operasi tersebut disebut dari kelas A. Operasi kelas A, berarti operasi di mana tidak terjadi pengguntingan di kedua ujung dari sinyal AC. Apabila pengguntingan terjadi, operasi tersebut tidak lagi disebut dari kelas A.
Untuk membuat rangkaian penguat daya kelas A kita dapat menggunakan rangkaian sebuah penguat CE. Kita dapat melakukan perancangan penguat kelas A ini dengan menggunakan beberapa rumus yang akan dibahas di pembahasan berikutnya. Tentu saja rancangan yang kita buat harus meletakan titik Q berada di tengah-tengah garis beban DC agar tidak terjadi perpotongan sinyal pada outputnya.
Sinyal output dari penguat daya kelas A ini adalah terbalik dengan sinyal inputnya. Hal ini terjadi karena ?????
2.1.Garis beban AC
Setiap penguat melihat dua macam beban; beban dc dan beban ac. Ini berarti kita mengenal dua jenis garis beban; garis beban dc dan garis beban ac. Kita dapat menurunkan garis beban dc, dengan menganalisa rangkaian ekivalen dc. Hal ini telah kita lakukan dalam bab-bab sebelumnya. Untuk memperoleh garis beban ac, kita harus menganalisa rangkaian ekivalen ac.
Gambar 1. Penguat CE (a) Rangkaian (b) Rangkaian ekivalen DC (c) Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 2. Garis beban DC dan AC
Pada Gambar 1-b. Bila terminal-terminal kolektor-emitor dihubung pendekan, transistor akan menjadi jenuh dan arus dc dari kolektor menjadi maksimum dan diberikan oleh:
(b ) (a ) (d ) (c)
Apabila terminal-terminal kolektor-emitor terbuka transistor-transistor tersebut dalam keadaan off dan tegan dc kolektor-emitor mencapai maksimum sama dengan
Perpotongan dengan sumbu-sumbu vertikal dan mendatar diperlihatkan dalam Gambar 2. Selanjutnya, kita dapat mencari arus dan tegangan dc di titik Q. Untuk seterusnya kita akan mempergunakan ICQ dan VCEQ untuk melambangkan dan di titik Q. Seperti
diperlihatkan dalam Gambar 2. Dalam Gambar 2, arus
kolektor dc kira-kira diberikan oleh
Dimana
Tegangan dc kolektor-emitor adalah
Setelah menentukan garis beban dc. Pada Gambar 1-c menunjukkan rangkaian ekivalen ac. Emiter untuk ac tersambung ke bumi, oleh adanya kapasitor pintas, dan kolektor memacu suatu tahanan beban sebesar
Apabila tegangan masukan ac dari Gambar 1-c disusutkan menjadi nol, transistor akan beroperasi di titik Q yang diperlihatkan dalam Gambar 1-d. Apabila isyarat masukan ac diperbesar mulai dari nol, perubahan–perubahan akan terjadi dalam arus kolektor total IC
dan tegangan kolektor total VCE . Oleh karena tahanan beban ac berbeda dengan tahanan
beban dc, maka operasi berlangsung sepanjang garis beban ac daripada garis beban dc. Perhatikan bahwa garis beban ac mempunyai titik jenuh (saturation point) yang diberi lambang IC (sat) dan suatu titik pancung yang ditunjukkan dengan vCE(cutoff).
Untuk mendapatkan harga dari ic(sat) dan vCE(cutoff ) dalam Gambar 1-c, tegangan
kolektor ac diberikan oleh
Dimana tanda minus menunjukkan pembalikan fasa. Oleh karena tegangan ac dan arus ac ekivalen dengan perubahan dalam arus dan tegangan total, persamaan di atas dapat ditulis sebagai:
Dalam Gambar 2, perubahan dalam arus total antara titik Q dan titik jenuh dari garis beban adalah:
Ini menyatakan kenaikan dalam arus total apabila kita berpindah dari titik Q ke titik jenuh yang terletak pada garis beban.
Dengan jalan yang sama, perubahan dalam tegangan total antara titik Q dan titik jenuh adalah
Hal ini diperhatikan oleh karena tegangan total menurun bila kita pindah dari titik Q ke titik jenuh yang terletak pada garis beban.
Apabila perubahan ini disubstitusikan ke dalam persamaan (1-6), kita peroleh :
Dengan menyelesaikan persamaan untuk ini kita peroleh :
arus ini adalah arus di ujung atas dari garis beban. Dengan penurunan yang serupa, tegangan di ujung bawah dari garis beban adalah
Gambar 3. Garis beban ac untuk penguat yang sembarang.
Gambar 3 memberikan rangkuman dari garis beban. Garis beban ac ini juga berlaku untuk penguat yang sembarang oleh karena penurunan untuk tittik-titik ujung serupa dengan penurunan dari persamaan (1-7) dan (1-8).
2.3.Kepatuhan
Dalam sebuah penguat linier, sebuah transistor bekerja sebagai sebuah sumber arus. Selama sinyal ac kecil, transistor akan berperilaku sebagai sebuah sumber arus selama siklus ac. Akan tetapi, apabila isyaratnya besar, transistor dapat didesak ke keadaan jenuh atau keadaan terpancung di mana transistor tidak lagi berperilaku sebagai sumber arus.
Kepatuhan DC
Kepatuhan (Complience) dari sebuah sumber arus adalah jangkauan tegangan operasi dari sumber tersebut. Misalnya apabila sebuah sumber arus dapat bekerja antara suatu tegangan minimum 5 V dan sebuah tegangan maksimal 25 V,maka sumber tersebut mempunyai kepatuhan 20 V
Kepatuhan dc dari sebuah penguat transistor adalah jangakauan tegangan operasi dc dari kolektor. Misalnya, Gambar 4 memperlihatkan sebuah garis beban dc dari sebuah rangkaian yang diberi prategangan oleh sebuah pembagai tegangan. Oleh karena titik Q dapat ditempatkan di mana saja sepanjang garis beban dc, maka kepatuhan tegangan dc sama dengan . Apabila VCC=15V maka penguat transistor tersebut mempunyai kepatuhan 15V.
Gambar 4. Kepatuhan dc sama denegan seluruh garis beban dc.
Sinyal maksimum tak terpotong
Sebuah penguat akan beroperasi sepanjang garis beban ac, bila penguat tersebut dijalankan oleh sebuah tegangan ac. Apabila sinyalnya terlalu besar, sinyal tersebut akan terpotong di salah satu ujungnya seperti ditunjukkan dalam Gambar 5-a. Apabila titik Q berada di bawah pusat garis beban, kita memperoleh pemotongan seperti ditunjukkan dalam Gambar 5-a. Apbila titik Q berada di atas pusat dari garis beban, kita peroleh pemotongan jenuh, seperti diperlihatkan dalam Gambar 5-b. Apbila kita menempatkan Q di tengah-tengah garis beban, kita peroleh sinyal terbesar yang tidak terpotong (Gambar 5-c).
Gambar 5. (a)Penjepitan pancung. (b)Penjepitan kejenuhan. (c) ayun isyarat maksimal
Kepatuhan ac PP adalah maksimum tegangan keluaran penguat dari puncak ke puncak (tanpa pemotongan). Misalnya dalam Gambar 5-a diperlihatkan garis beban ac dengan titik Q lebih dekat ke keadaan pancung daripada keadaan jenuh. Oleh karena perpotongan dalam keadaan terpancung terjadi lebih dulu, maka kepatuhan ac-nya adalah:
Apabila ICQ=1 mA dan rL=3 KΩ , penguat
harus mempunyai kepatuhan ac sebesar
Nilai PP ini menyatakan maksimum dari tegangan keluaran dari puncak ke puncak yang tak terpancung dari setiap penguat dengan ICQ=1 mA dan rL=3 KΩ
Dalam Gambar 5-b, titik Q lebih dekat pada kejenuhan. Ini berarti sinyal keluaran yang terbesar yang tidak tergantung mempunyai tegangan puncak ke puncak sebesar
Apabila misalnya VCEQ=5 V , penguat mempunyai kepatuhan ac sebesar 10 V.
Apabila titik Q ditempatkan di pertengahan di garis beban ac seperti diperlihatkan dalam Gambar 5-c, penguat mempunyai kepatuhan ac yang maksimal, artinya penguat tersebut dapat menghasilkan sinyalyan tak terpancung yang maksimal. Selanjutnya
Oleh karena itu kita dapat menghitung kepatuhan ac dengan menggunakan 2VCEQ
atau 2 ICQ. rL . Apabila kita menganalisa penguat transistor, kita ingin mengetahui
kepatuhan ac-nya. Untuk setiap penguat, kepatuhan tersebut sama dengan yang terkecil di antara 2VCEQ dan 2 ICQ. rL .
BAB III PERANCANGAN
Setelah kita mengetahui tentang definisi dan juga rumus-rumus dari penguat daya kelas A. Selanjutnya adalah perancangan penguat daya kelas A. Untuk merancang sebuah penguat daya kelas A, diperlukan langkah- langkah dalam membuatnya, diantaranya:
3.1.Menentukan Transistor.
Untuk menentukan transistor yang digunakan pada penguat daya kelas A. Maka kita memilih transistor jenis NPN dan memiliki aplikasi untuk penguat daya. Jika kita lihat pada Gambar. 1 maka secara kasat mata kita akan mengetahui bentuk fisik transistor daya. Selain itu, lihat datasheet transistor untuk mengetahui Power Dissipation, ingat bahwa transistor daya harus memiliki PD lebih dari 0,5 watt. Pada perancangan rangkaian penguat daya kelas A, kami memilih transistor TIP41C, yang memiliki karakteristik dan absolute maximum rating sebagai berikut.
Tabel 1. Absolute Maximum Ratings of TIP41C
Jenis : NPN Epitaxial Silicon Transistor Aplikasi : Medium Power Linier and Switching
3.2.Menentukan besar VCC , βdc , dan ICQ
Dalam menentukan besar Vcc, jangan melebihi dari nilai VCEO = 100 V.
Dan dalam menentukan nilai dari ICQ , jangan melebihi dari IC DC = 0,3
A.
Sehingga kita mendapatkan: βdc=75
IC=0,3 A
VCC=20V
Kita mulai dengan menghitung Tegangan Emiter.
VE=0,1 VCC=0,1(20 )=2 volt
Maka, Tahanan Emiter RE=VE IE = 2 V 0,15 A=13,3 Ω Tahanan Kolektor RC=4 RE=4 (13,3)=53,2 Ω
Tegangan Basis yang diperlukan adalah :
VB=VE+VBE=2+0,7=2,7 Volt
Oleh karena βdc = 75, maka Arus Basis :
IB= IC βdc
=0,15 A
75 =2 mA
Arus melalui pembagi tegangan sekurang-kurangnya 10 kali lebih besar dari arus basis yaitu :
I2=10 IB=10 (2 mA)=20 mA
Oleh karena itu, tahanan total dari sebuah pembagi tegangan : R=VCC
I2
= 20 V
20 mA=1 K Ω
Oleh karena VB=V2=2,7 V maka R1dan R2sebagai berikut :
R2= V2 I2 =2,7 V 20 mA=135 Ω dan R1=R−R2=1000−135=865 Ω
Nilai Resistor PerhitunganHasil Yang ada DiPasaran
R1 865 Ω 820 Ω
R2 135 Ω 120 Ω
RE 13,3 Ω 15 Ω
RC , RL 53,2 Ω 56 Ω
3.4.Menentukan besar C1 , C2 dan C3
Pada rangkaian penguat daya kelas A, kapasitor yang digunakan adalah yang memiliki polaritas (electrolyc capacitor). Untuk C1 dan C2 bernilai 10 µF karena hanya sebagai bypass. Sedangkan untuk C3 sebesar 100 µF karena sebagai kapasitor kopling. Oleh karenanya XC << RE P
erhatikan nila XCdari kapasitor C3 berikut
XC = 1 2 πfc
XC = 1
2 . π . 100 .106. 100 .10−6 XC=0,00001592 Ω
Terbukti bahwa nilai XC lebih kecil dari nilai RE Setelah semua nilai
komponen sudah didapat nilainya, maka rangkaiannya akan seperti gambar di bawah ini.
Gambar 8. Skema yang diuji cobakan
Karena resistor yang memiliki nilai pada skema diatas tidak di jual di pasaran, maka kita akan menggantinya dengan resistor yang nilainya mendekati nilai perhitungan. Kami juga menggunakan resistor dengan toleransi rendah yakni 5%. Untuk menghindari kesalahan nilai dalam perancangan rangkaian.
Tabel 3. Nilai Perhitungan dan Nilai sebenarnya resistor.
Nilai Resistor
Nilai Perhitungan Nilai Sebenarnya
R1 865 Ω 820 Ω R2 135 Ω 120 Ω RE 13,3 Ω 15 Ω RC , RL 53,2 Ω 56 Ω BAB IV PERCOBAAN 4.1 Tujuan Percobaan TIP 31 C 120 15 Ω 56 Ω 820 100 10 56 Ω 10
Berikut adalah tujuan dari percobaan terhadap Penguat Kelas A : 1. Meguji Penguat Kelas A yang telah dirancang.
2. Membuktikan Karakteristik dari Penguat Kelas A. 4.2 Alat dan Bahan
Berikut adalah daftar dari Alat dan Bahan yang digunakan dalam percobaan :
No Alat/Bahan Keterangan Jumlah
1 Oskiloskop Dual Trace 1
2 Function Generator - 1
3 Multimeter Digital Sanwa 1
4 Power Supply - 1
5 Probe Oskiloskop - 2
6 Probe Function Generator - 2
7 Capit Buaya - 4 8 Transistor TIP 41 C 1 9 Resistor - 120 Ω - 820 Ω - 15 Ω - 56 Ω @ 1 pcs 10 Kapasitor - 10 uF - 10 uF - 100 uF @ 1 pcs 11 Proto Board - 1
12 Kabel Jumper Potongan 10
4.3 Penguat Kelas A
Berikut adalah gambar rangkaian dari Penguat Kelas A yang telah dirancang sebelumnya :
4.4 Langkah Percobaan
Langkah-langkah yang telah kami lakukan dalam percobaan ini adalah : 1. Menyiapkan Segala Alat dan Bahan yang dibutuhkan.
2. Menyusun rangkaian pada proto board seperti gambar :
3. Mengukur arus dan tegangan pada rangkaian penguat kelas A. 4. Menampilkan bentuk gelombang pada masukan dan keluaran.
4.5 Data Hasil
ELEKTRONIKA II | Pendidikan Teknik Elektronika 16
Berikut adalah sata hasil pengukuran pada percobaan pada rangkaian Penguat Daya Kelas A :
No. Besaran Nilai
1 Vcc 20 V 2 VR1 16,93 V 3 VR2 2,5 V 4 VBE 0,7 V 5 VRE 1,93 V 6 VRC 6,5 V 8 IE 125,65 mA 9 IC 206,43 mA
Gambar Hasil pengukuran Gelombang :
No. Keterangan Channel 1 Channel 2
1
Volt/Div Channel 1 = 5 V Volt/Div Channel 2 = 5 V
Time/Div = 1ms 1,8 Div 4,2 Div
Berdasarkan Vin dan Vout yang diperoleh maka : A=VOUT
V¿
=21 9 =2,3
4.6 Analisis Data dan Perhitungan Garis Beban DC V2= R2 R2+R1 x VCC= 120 Ω 120Ω+820Ω x 20=2,55 Volt IE=IC=V2−VBE RE =2,5V −0,7 V 15 Ω =123,3 mA IB= IC βDC =123,3 mA 75 =1,64 mA VCE=VCC−IE
(
RC+RE) VCE=20−123,3 mA (56 Ω+15 Ω) VCE=20 V −8,75 VCE=11,25V IC (sat)= VCC RE+RC = 20 V 15Ω+56 Ω=281,6 mA VCE(cut off)=VCC=20Volt Penguatan rC= RC. RL RC+RL =56 Ω.56 Ω 56 Ω+56 Ω=28 Ω r'e=25 mV IC = 25 mV 123,3mA=0,202 Ω A=rC r'e= 28 Ω 0,202 Ω=138,6
Mencari Garis Beban AC rC= RC. RL RC+RL =56 Ω.56 Ω 56 Ω+56 Ω=28 Ω ic (sat )=ICQ+ VCEQ rC+rE =123,3 mA+ 11,25 Ω 28 Ω+15 Ω=384, 92Ω vce(cutoff)=VCEQ+ICQ
(
rC+rE) vce(cutoff)=11,25V +123,3 mA (28Ω+15 Ω) vce(cutoff)=11,25V +5,3 V =16,55 V Perhitungan-Perhitungan lain V2=VR 2=2, 5Volt Vℜ=V2−VBE=2,5−0,7=1,8 V VRC=ICx RC=123,3 mA x 56 Ω=6,9 V Analisis Error No Besaran Hasil Pengukuran Hasil Perhitungan Presentasi Error % 1 Vcc 20 V 20 V 0 % 2 VR1 16,93 V - -3 VR2 2,5 V 2,55 V 1,96% 4 VBE 0,7 0,7 V 0% 5 VRE 1,93 V 1,8 V 7,2% 6 VRC 6,5 V 6,3 V 1,58% 7 IE 125,65 mA 123,3 mA 1,9% 8 IC 206,43 mA 123,3 mA 67% 9 A 2,3 138,6 98,3 %
BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan
Apabila sebuah transistor mempunyai titik Q didekat tengah-tengah dari garis beban DC, suatu sinyal AC yang kecil mengakibatkan transistor bekerja di daerah aktif dalam seluruh siklusnya. Apabila isyarat membesar, transistor terus bekerja di daderah aktif selama waktu mencapai puncak-puncaknya sepanjang garis beban titik jenuh dan titik pancung tidak terpotong. Untuk membedakan cara operasi ini dari jenis-jenis lainnya, operasi tersebut disebut dari kelas A. Operasi kelas A, berarti operasi di mana tidak terjadi pengguntingan di kedua ujung dari sinyal AC. Apabila pengguntingan terjadi, operasi tersebut tidak lagi disebut dari kelas A.
Untuk merancang penguat kelas A yang memiliki titik Q ditengah garis beban DC nya maka menentukan nilai dari setiap hambatan dan juga kapasitor adalah kuncinya. Disamping menentukan hal tersebut pemilihan transistor juga meruapakan hal yang penting, karena data karakteristik dari sebuah transistor-lah yang akan mempengaruhi nilai-nilai dari resistor pada rangkaian.
Besarnya penguatan dapat dihitung dengan membandingkan tegangan keluaran (Vout) dengan tegangan masukan (Vin). Ciri khas dari sebuah penguat kelas A adalah
5.2 Saran
1. Pemilihan transistor hendaknya memiliki karakteristik kerja diatas 0,5 Watt.
2. Dalam menentukan βdc lebih baik menggunkana instrument ukur agar hasil dapat lebih akurat.
3. Menggunakan alat ukur yang masih bekerja dengan baik (presisi).
4. Memilih resistor yang tersedia di pasaran dengan cermat, hindari menggunakan resistor yang memiliki nilai cukup jauh dari yang telah ditentukan pada saat perancangan.
