BAB VF, Penguat Daya BAB VF PENGUAT DAYA

BAB VF, Penguat Daya

Hal:233

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.

Sastra Kusuma Wijaya

FISIKA FMIPA UI

Diktat Elektronika I


Hal:234

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 × 100% daya DC yang diberikan ke rangkaian

Penguat kelas A VCC

RL

Vo

vs

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) = Voeff I oeff atau Po (max)


VCC VCC VCC 2 = = Voeff I oeff = 2 2 RL 2 2 8 RL

FISIKA FMIPA UI



Hal:235

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 :

Ps = VCC I CC ( ave ) = VCC I C ( Q ) = VCC

1 2

VCC RL

Sehingga effisiensi dari penguat kelas A adalah

η (max) =

Po (max) Ps

VCC 2 8RL = × 100% = 25% 2 VCC 2 RL

kerugian: tidak seluruh arus yang mengalir di kolektor menghasilkan sinyal daya ac. Daya yang didisipasikan adalah PD =Ps - Po - Pdc 2

⎛ VCC ⎞ VCC 2 2 dengan Pdc = I C ( Q ) RL = ⎜ . ⎟ RL = R R 2 4 ⎝ L⎠ L Dissipasi maksimum terjadi jika tidak ada output yang dihasilkan atau Po = 0, sehingga:

PD (max)


VCC 2 VCC 2 VCC 2 = Ps − Pdc = − = 2 RL 4 RL 4 RL

FISIKA FMIPA UI



Hal:236

Penguat kelas B : Push-Pull +VCC1

Q1 Ic1 vi Q2

iL

Ic2

RL

-VCC2

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 :

vs <0 :

Q1 konduksi Q2 cut-off iC1 mengalir dari VCC1 Æ Q1 Æ RL Æ VCC1 Vo < 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 :


Ip =

Vp

RL

FISIKA FMIPA UI



Hal:237

vs

ic1

ic2

iL

Gambar 3, Bentuk sinyal Kedua transistor sepasang (parameternya matched ) , daya output : (untuk sinyal sinus) Vp I p Vp 2 Po = Veff I eff = ⋅ = 2 2 2 RL Jika VCC1 = VCC2 = VCC = Vp, dan transistor ideal , maka : VCC 2 Po (max) = 2 RL Daya yang ditarik oleh masing-masing sumber DC adalah seri dari setengah bagian gelombang sinus, akibatnya arus rata-rata yang 2 Vp disupply adalah : I av = , π RL sehingga Ps = VCC I av = VCC

2 Vp . π RL

Effisiensinya penguat itu dapat dicari dengan cara:


FISIKA FMIPA UI



Hal:238

2 2 Po V p 2 RL V p 2 RL π V p η= = = = 2 V 4 VCC Ps VCC I av VCC π R p

L

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 Vp Vp − PD = Ps − Po = VCC π RL 2 RL

dPD 2 VCC V p = − =0 dV p π RL RL

maka ⇒ V p =

2

π

VCC

Sehingga diperoleh : PD (max)

VCC 2 2 VCC 2 = 2 ≈ 0, 2 π RL RL

VCC 2 , diperoleh daya disipasi maksimum adalah Dari Po (max) = 2 RL 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 harmonik:


FISIKA FMIPA UI



Hal:239

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

v BE2

arus basis yang distorsi

vBE1

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


FISIKA FMIPA UI



Hal:240

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. R1 20 V D1 R3

Q2

RL

D2 Q3 20 V

vs

Q1 R2

RE

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 akan membuat VD1 + VD2 berkurang tegangannya selanjutnya akan


FISIKA FMIPA UI



Hal:241

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.

∴ R1 =

VR1 2V = = 1, 2 kΩ . iB 2 1,7 mA


FISIKA FMIPA UI



Hal:242

Pada saat vs = 0 V2E = VEN + VEB2 = 20,8 V iC1 =

(20,8 − 2 x 0,8) V = 1,2 kΩ

16 mA

Pilih VRE = 1,5 V agar transistor Q2 dan Q3 beropersai sebagai kelas AB, sehingga V

1,5 V

RE RE = i = 16 mA = 94 Ω. C1

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 resonansi, LC seperti ditunjukkan pada gambar berikut.


FISIKA FMIPA UI



Hal:243

Gambar 3 , Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinya Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar: fr ≅

1 2π LC

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.


FISIKA FMIPA UI



Hal:244

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.


FISIKA FMIPA UI



Hal:245

Gambar 5, Rangkaian ekivalen AC Pada penguat CE berlaku: I C(sat) = I CQ +

VCEQ rc

dan VCE(cut) = VCEQ + I CQ rc

Pada penguat kelas C, ICQ = 0 dan VCEQ = VCC, sehingga: I C(sat) =

VCC dan VCE(cut) = VCC rc

seperti ditunjukkan pada garis beban di atas, dengan rc : hambatan kolektor AC. Jadi pada penguat kelas C swing tegangan sebesar VCC dan arus saturasi sebesar VCC/rc.


FISIKA FMIPA UI


BAB VF, Penguat Daya BAB VF PENGUAT DAYA

Recommend Documents