BAB VF
PENGUAT DAYA
Dalam elektronika banyak sekali dijumpai jenis penguat, pengelompokkan dapat berdasarkan:
1. rentang frekuensi operasi,
a. gelombang lebar (seperti: penguat audio, video, rf dll) b. gelombang sempit (seperti tuned amplifier).
2. metoda pemasangan rangkaian,
a. pemasangan AC : semua komponen frekuensi rendah (termasuk dc) tidak diteruskan ke rangkaian penguat
b. pemasangan DC : salah satu tipenya adalah penguat chopper, sinyal input terbelah menjadi seri pulsa kemudian diperkuat oleh penguat ac sebelum dikembalikan lagi ke level dc.
3. titik bias pada penguat: kelas A, kelas B, kelas AB dan kelas C 4. tegangan
5. arus 6. daya
Berdasarkan dengan tipe pembiasan yang dilakukan oleh penguat, dapat dikelompokkan menjadi:
1. kelas A : Titik kerja diatur agar seluruh fasa sinyal input diatur sedemikian rupa sehingga seluruh fasa arus output selalu mengalir. Penguat ini beroperasi pada daerah linear.
2. kelas B : Titik kerja diatur pada suatu sisi ekstrim saja, sehingga daya quiescent sangat kecil. Untuk sinyal input sinusoida, penguatan hanya terjadi pada setengah perioda sinyal input saja. 3. kelas AB : Titik kerja diatur dua ekstrim dari kelas A dan kelas
B. Jadi sinyal output sama dengan nol pada satu bagian namun dengan selang kurang dari setengah siklus sinyal sinus.
4. kelas C : Titik kerja diatur beropersi untuk arus (tegangan) output sama dengan nol dengan selang lebih besar dari setengah siklus sinus. Sehingga penguat bekerja kurang dari setengah perioda sinyal input.
Effisiensi η adalah ukuran kemampuan suatu elemen aktif untuk mengkonversikan daya DC menjadi daya AC yang diumpankan ke beban, atau dinyatakan :
η = sinyal daya yang diberikan ke beban ×
daya DC yang diberikan ke rangkaian 100% Penguat kelas A
vs
VCC
RL
Vo
Gambar 1, Penguat kelas A
Beban RL adalah beban hambatan kolektor, dan Tegangan
output puncak ke puncak Vopp = VCC. Sedang arus puncak ke puncak
Iopp = VCC/RL. Sehingga daya max adalah Po(max) =V Ioeff oeff atau
(max) o oeff oeff P =V I = 2 8 2 2 2 2 CC CC CC L L V V V R R =
Asumsi untuk pembiasannya ideal, yaitu VCE = ½ VCC dan VCE
ini sebagai level DCnya, dengan arus DC yang mengalir/diserap pada RL adalah:
ICCave = ½ IC
Dan daya yang diberikan adalah :
1 ( ) ( ) 2 CC s CC CC ave CC C Q CC L
V
P
V I
V I
V
R
=
=
=
Sehingga effisiensi dari penguat kelas A adalah
2 (max) 2
8
(max)
100% 25%
2
o CC L s CC LP
V
R
P
V
R
η
=
=
×
=
kerugian: tidak seluruh arus yang mengalir di kolektor menghasilkan
sinyal daya ac.
Daya yang didisipasikan adalah PD =Ps - Po - Pdc
dengan 2 2 2 ( )
2
4
CC CC dc C Q L L L LV
V
P
I
R
R
R
R
⎛
⎞
=
=
⎜
⎟
=
⎝
⎠
.Dissipasi maksimum terjadi jika tidak ada output yang dihasilkan atau Po = 0, sehingga: 2 2 2 (max)
2
4
4
CC CC CC D s dc L L LV
V
V
P
P
P
R
R
R
=
−
=
−
=
Penguat kelas B : Push-Pull +VCC1 -VCC2 RL iL Ic1 Ic2 vi Q1 Q2
Gambar 2, Penguat kelas B
Penguat kelas B ini memanfaatkan teknik push-pull, Æ dua transistor yang bekerja saling komplementer. Kedua transistor tsb berbeda tipe namun karakteristiknya sama atau matched
Untuk vs >0 : Q1 konduksi Q2 cut-off iC1 mengalir dari VCC1 Æ Q1 Æ RL Æ VCC1 Vo < 0 vs <0 : Q1 cut-off Q2 konduksi iC2 mengalir dari VCC2 Æ RL Æ Q2 Æ VCC2 Vo > 0
Arus yang mengalir di beban iL = iC2 - iC1. Jika nilai puncak vce1
sebesar Vp , maka arus ic1 sebesar :
p p L
V
I
R
=
vs
ic1
ic2
iL
Gambar 3, Bentuk sinyal
Kedua transistor sepasang (parameternya matched ) , daya output : (untuk sinyal sinus)
2 2 2 2 p p p o eff eff L V I V P V I R = = ⋅ =
Jika VCC1 = VCC2 = VCC = Vp, dan transistor ideal , maka :
2 (max) 2 CC o L V P R =
Daya yang ditarik oleh masing-masing sumber DC adalah seri dari setengah bagian gelombang sinus, akibatnya arus rata-rata yang disupply adalah : av 2 p L V I R π = , sehingga s CC av CC 2 p L V P V I V R π = = .
2 2 2 2 2 4 p L p L p L p o V s CC av CC R CC V R V R V P P V I V π V π η = = = =
dan effisiensi maks jika Vp = VCC atau η (max) = π/4 = 78 %
Dissipasi daya pada transistor
Berbeda dengan kelas A, pada saat tidak ada daya output, tidak ada daya yang di supply, sehingga tidak ada daya yang di dissipasikan. Dissipasi maksimum dicari sbb :
2 2 2 p p D s o CC L L V V P P P V R R π = − = − 2 2 0 maka p CC D p CC p L L V V dP V V dV = π R − R = ⇒ =π Sehingga diperoleh : 2 2 (max) 2 2 0,2 CC CC D L L V V P R R π = ≈ Dari 2 (max) 2 CC o L V P R
= , diperoleh daya disipasi maksimum adalah PD(max) = 0,4 Po(max) (ini untuk kedua transistor). Sehingga untuk masing-masing transistor adalah PD(max) = 0,2 Po(max).
Distorsi pada kelas B
Sifat-sifat distorsi pada kelas B sedikit unik, bila karakteristik transfernya tidak linear. Jika kedua transistor yang dipergunakan cocok (matched) maka arus yang mengalir pada transistor Q1 dan Q2
masing-masing i1 dan i2 hanya bergeser 180o. Jika ada suku
i1 = IC + Bo + B1 cos ωt + B2 cos 2ωt + B3 cos 3ωt + . . .
i2 = IC + Bo + B1 cos (ωt+π) + B2 cos (2ωt+π) + B3 cos (3ωt+π)
+ . . .
atau i2 = IC + Bo - B1 cos ωt + B2 cos 2ωt - B3 cos 3ωt + . . .
Sehingga iL = i1 - i2 = 2 (B1 cos ωt + B3 cos 3ωt + . . .)
Hal ini menunjukkan bahwa ada tersisa gelombang harmonik orde ganjil. Namun bila karakteristik kedua transistor tidak identik, maka harmonik orde genapnya juga muncul.
Distorsi ini akibat sifat nonlinear dari transistor dikenal sebagai distorsi cross-over, hal ini secara sederhana akibat kedua transistor tidak konduksi pada tegangan -Vγ < Vi < Vγ seperti ditunjukkan pada
Gambar 4.
iB1
vBE1
arus basis yang distorsi
vBE2
iB2
sinyal input
Gambar 4, Distorsi crossover.
Penguat kelas AB
Karena karakter non linear dari transistor, maka ada distorsi harmonik yaitu distorsi crossover. Distorsi ini dapat dieliminasi dengan
memberikan tegangan bias DC kecil pada masing-masing transistor, misalnya menggunakan dua buah dioda atau dua buah transistor yang kira-kira sama dengan 2 Vγ seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
Kerugianya dalam hal effisiensi, karena ada daya stand-by tsb.
R3 R2 R1 RL 20 V 20 V Q1 Q3 Q2 RE D1 D2 vs
Gambar 1, Penguat kelas AB
Transistor Q1 akan dibias untuk operasi kelas A. Hambatan R1
sebagai beban kolektor dengan kondisi quiescent (vs = 0): ILQ = 0 dan
VENQ = 20 V.
Arus yang mengalir melalui dioda D1 dan D2 akan
menghasilkan beda potensial sebesar :
VD1 + VD2 = VB2E + VEB2
Pada kondisi quiescent arus yang mengalir di kolektor adalah IC1Q.
Transistor Q2 dan Q3 beroperasi dalam kelas B. Umumnya pada
rancangan ini dioda D1, D2 dan transistor Q2 dan Q3 menggunakan
heat-sink yang sama, sehingga pada saat transistor Q2 dan Q3 panas
mengurangi arus quiescent, rancangan ini dikenal sebagai umpanbalik negatif termal.
Untuk membuat tingkat driver transistor Q1 dari rancangan
kelas AB di atas dilakukan sbb:
Pada saat vs mencapai tegangan maksimum negatif, transistor
Q1 mendekati cut-off sehingga vEN = vB2N ≈ 40 V. Untuk kondisi ini
iB2 maksimum dan akan mengalir ke R1. Dengan memperhatikan
gambar berikut ini
Gambar 2, Rangkaian driver transistor kelas AB
Jika diambil VR1 = 2 volt, maka VB2N = 40 V - 2 V = 38 V.
jika dipilih VB2E = 1 V, maka VEN = VB2N - VB2E = 37 V
sehingga iC2(max) = (37-20)V/100Ω = 1,70 mA dan iB2(max) =
1,7 mA jika hfe = 100. 1 1 2 2 1,2 k 1,7 R B V V R i mA ∴ = = = Ω.
Pada saat vs = 0 V2E = VEN + VEB2 = 20,8 V iC1 = ( , , ) , 20 8 2 0 8 1 2 − x V kΩ = 16 mA
Pilih VRE = 1,5 V agar transistor Q2 dan Q3 beropersai sebagai
kelas AB, sehingga RE = V i RE C1 1 5 = , V 16 mA = 94 Ω.
Nilai R2 dan R3 dicari dengan metoda coba-coba seperti yang
ditunjukkan pada analisa DC pada BJT, diperoleh masing-masing sebesar 1, 5 kΩ dan 22 kΩ.
Penguat Kelas-C
Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180o pada setiap siklusnya Æ tidak sinusoida, ada rangkaian tangki
Gambar 3 , Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinya Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar:
LC 2π
1 fr ≅
Pada saat sinyal input tertala pada frekuensi fr tegangan output
akan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangan sebesar Amax.
Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dilakukan Rangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garis beban ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 4, Rangkaian DC ekivalen dan garis beban DC dan AC Transistor tsb tidak ada pem-bias-an
Æ VBE = 0 Æ IC = 0 untuk sinyal input < 0,7 V
Æ titik Q akan cuttoff pada garis beban
Æ RS : hambatan kolektor DC (resistansi induktor RF) Æ garis
beban relatif vertikal karena RS kecil.
Rangkaian ekivalen AC Æ penguat CE ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 5, Rangkaian ekivalen AC Pada penguat CE berlaku:
c CEQ CQ C(sat) r V I I = + dan c CQ CEQ CE(cut) V I r V = +
Pada penguat kelas C, ICQ = 0 dan VCEQ = VCC, sehingga:
c CC C(sat) r V I = dan VCE(cut) =VCC
seperti ditunjukkan pada garis beban di atas, dengan rc : hambatan
kolektor AC. Jadi pada penguat kelas C swing tegangan sebesar VCC
