MODUL I TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA

MODUL I TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA Rosana Dewi Amelinda (13213060) Asisten : Alvin Lianto(13212018) Tanggal Percobaan: 23/9/2015 EL3109-Praktikum Elektronika II

Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak Abstrak Pada praktikum Modul I ini dilakukan percobaan mengenai tahap output penguat daya. Tahap output penguat daya sendiri pada dasarnya terbagi menjadi 4 kelas penguat yaitu kelas A, B, AB, dan C. Namun pada percobaan kali ini hanya akan dilakukan pengamatan pada penguat kelas A, B, dan AB saja. Perbedaan keempat kelas penguat daya tersebut terletak pada swing maksimum, distorsi, dan daya disipasi maksimumnya. Beberapa pengamatan yang dilakukan diantaranya pengamatan kualitatif linieritas dan VTC, pengamatan linieritas kuantitatif, serta pengamatan daya disipasi dan daya pada beban. Ketiga pengamatan tersebut dilakukan pada masing-masing konfigurasi rangkaian tahap output penguat. Selain itu, untuk penguat kelas B juga dilakukan pengamatan tahap output dengan umpan balik (feedback) penguat operasional. Dari hasil pengamaran ketiga kelas tahap output tersebut, selanjutnya dapat disimpulkan kelebihan dan kekurangan pada masingmasing kelas penguat. Sebuah transistor dalam fungsi penguatannya biasanya menghasilkan panas. Agar panas dapat dikendalikan, dikenal analogy rangkaian thermal untuk menghitung besarnya pasan yang dapat dipindahkan dari transistor ke heatsink dan lingkungan. Oleh sebab itu pada percobaan keempat akan dilakukan pengamatan disipasi pada transistor dan rangkaian thermal. Kata kunci: Tahap output, Daya disipasi, Linieritas Rangkaian thermal. 1.

PENDAHULUAN

Secara umum, suatu penguat adalah peralatan yang menggunakan tenaga yang kecil untuk mengendalikan tenaga yang lebih besar. Ada beberapa cara untuk melakukan penguatan. Pertama yaitu penguat satu tingkat, terdir atas satu unsur penguat dan rangkaian pendukungnya. Lalu apabila beberapa unsur-unsur semacam digabungkan maka akan didapatkan penguat banyak tingkat.

itu disebut penguat audio jika menguatkan sinyal antara kurang lebih 20 Hz sampai dengan 20 kHz. Dalam mengukur getaran, variasi suhu atau arus listrik yangd ditimbulkan oleh badan manusia, dijumpai sinyal-sinyal frekuensi yang sangat rendah antara nol sampai beberapa hertz. Rangakaian penguat umumnya digolongkan dalam kelas-kelas, yaitu Kelas A, Kelas B, Kelas AB, dan Kelas C untuk rancangan analog, serta Kelas D dan E untuk rancangan pengalih (switching). Disamping itu masih ada kelas E/F untuk penguat daya pengalih efisiensi tinggi yang bekerja untuk gelombang segi empat. Tahap Output bedasarkan Arus Colector

Figure 1 Arus Colector - 𝝎𝒕 untuk masing-masing kelas penguat daya

Efisiensi maksimum pada tahap output kelas A yaitu 25%, kelas B 78.5%, dan kelas AB sebesar 78.5 %. Berikut kurva karakteristik Vo-Vi untuk masing masing kelas penguat daya : Figure 2 Kelas A

Dalam suatu system reproduksi suara, tahap pertama adalah penguatan tegangan (atau arus) sinyal kecil yang dirancang untuk menguatkan keluaran dari pembaca sinar laser yang merupakan keluaran DVD-player antara beberapa millivolt menjadi beberapa volt. Tahap akhir merupakan penguat sinyal besar atau penguat daya (power amplifier) dan memberikan daya yang cukup untuk menggerakan pengeras suara. Pengeras semacam Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

1

Figure 3 Kelas B

saturasi dan tegangan output sudah mendekati tegangan catu dayanya. Rangkaian bias berupa sumber arus untuk tahap output penguat kelas A dapat direalisasika dengan berbagai jenis sumber arus, misalnya dengan cermin arus. Pada percobaan digunakan rangkaian sumber arus seperti gambar 2 Gambar 2 Rangkaian sumber arus untuk bias tahap output penguat kelas A

2.

STUDI PUSTAKA

Tahap Output Penguat Kelas A Tahap output penguat kelas A untuk konfigurasi Common Emitter tampak seperti gambar dibawah ini𝜔 Gambar 1 Rangkaian tahap output penguat kelas A

Arus bias untuk rangkaian tersebut dapat diperkirakan dengan memanfaatkan persamaan berikut 𝐼𝐵𝐼𝐴𝑆 =

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 ditarik sumber IBIAS akan diberikan olhe 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 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 𝐼𝐵𝐼𝐴𝑆 𝑅𝐿 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸𝑠𝑎𝑡

(F 1)

Arus yang diberikan oleh transistor Q1 akan berkisaran dari 0 hingga 2xIBIAS.

𝛽(𝑉𝐶𝐶 𝑅2 − 𝑉𝐵𝐸 (𝑅1 𝑅2 )) 𝑅1 𝑅2 + (𝛽 + 1)𝑅3 (𝑅1 𝑅2 )

Pada penguat daya kelas A sumber arus bias akan selalu mendisipasikan daya mendekati IBIAS. Daya yang terdisipasi pada transistor tahap output akan berkisar dari VCC IBIAS saat amplitude tegangan input nol hingga VCC IBIAS /2 saat amplitude input maksimum (mendekati VCC). Sementara untuk menghitunga daya dan efisiensi digunakan rumus sebagai berikut :

PD  PS  PL

(F 2)

PS  VCC I   I  

(F 3)

PL  VO ( RMS )

(F 4)



2

RL

PL  100 % PS

(F 5)

Penguat Kelas B Push-Pull Penguat kelas B Pushpull mengguankan sepasang transistor NPN dan PNP (juga nMOS dan pMOS) yang seimbang dengan konfigurasi common emitor. Rangkaian dasar untuk tahap output penguat kelas B push pull tampak seperti pada gambar 3

Distorsi pada penguat kelas A yang paling menonjol adalah distorsi saturasi. Distorsi ini ketika sinyal input sangat besar sehingga tegangan kolektor-emitor transistor mencapai tegangan Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

2

Gambar 3 Penguat Pushpull kelas B

akibat ketidakseimbangan penguat arus transistor NPN dan PNP. Penguat operasional pada rangkaian ini akan menjaga tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Selisih tegangan input dan output akan membuat penguat operasional memberikan tegangan lebih tinggi bila tegangan pada beban ternyata leih rendah dari input dan begitu pula sebaliknya. Gambar 4 Rangkaian penguat pushpull kelas B dengan feedback menggunakan op amp

Pada penguat pushpull kelas B transistor NPN dan PNP bekerja bergantian. Saat siklus tegangan input positis 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 dalam keadaan cut-off. Sebaliknya saat siklus tegangan negative junction base-emitter transistor Qp akan mendapat tegangan maju dan transistor Qp konduksi dan Qn dalam keadaan cutoff. Adanya tegangan cut-in pada perilaku unction 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 input terdistorsi. Pada penguat kelas B, dengan menganggap tegangan cut-in nol, arus yang diberikan catu daya dapat mendekati sebagai half wave rectified sinusoidal wave untuk masing-masing transistor. Dengan demikian daya rata-rata yang diberikan catu daya akan mendekati 𝑃𝑆 =

2 𝑉𝑜 𝜋 𝑅𝐿

Penguat Kelas AB Push-Pull Cara lain menekan 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-emitter. 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 diode seperti ditunjukan pada gambar 5. Gambar 5 Penguat pushpull kelas AB dengan diode untuk pemberi tegangan bias

(F 6)

𝑉𝐶𝐶

Daya yang disampaikan pada beban 𝑃𝐿 =

1 𝑉𝑜2

(F 7)

2 𝑅𝐿

Dengan demikian daya terdisipasi pada masingmasing transistor akan bergantung pada amplitude tegangan output atau tegangan inputnya. 𝑃𝐷𝑄 =

1 𝑉𝑜 𝜋 𝑅𝐿

𝑉𝐶𝐶 −

1 𝑉𝑜2 4 𝑅𝐿

(F 8)

Output pada penguat kelas B push pull mengalami distorsi cross over saat pergatian transistor yang konduksi akibat adanya tegangan cut-in pada transistor tersebut. Untuk menghilangkan distorsi tersebut dapat digunakan rangkaain umpan balik dengan penguat operasional. Rangkaian penguat kelas B seperti tampak pada gambar 4. Umpan balik dengan penguat operasional ini tidak hanya menekan cross-over tetapi juga menekan distorsi

2.1

JUDUL SUB-BAB

Sub-bab pada percobaan ini, yaitu : 

Penguat kelas A



Penguat pushpull kelas B

Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

3



3.

Penguat pushpull kelas AB

METODOLOGI

Pada percobaan 1 ini, alat dan bahan yang digunakan yaitu : 1.

Kit praktikum penguat daya

2.

Generator sinyal

3.

Osiloskop Digital dengan fungsi FFT

4.

Multimeter

5.

Catu daya Ter-regulasi

6.

Kabel dan asesoris pegukuran

7.

Thermometer Infrared

Diunakan mode dual trace pada osiloskop, yakinkan bahwa input kopling osiloskop terset pada DC. Amati secara kualitatif bentuk sinyal output (kanal 2 atau Y) dan input (kanal 1 atau X), dan gambarkan bentuk sinyalnya. Bandingkan bentuk sinyal input dan outputnya.

Digunakan mode xy pada osiloskop, amati kurva karakteristik alih tegangan (voltage transfer characteristics, VTC), perbesar amplituda input agar batas saturasi tegangan dapat teramati. Gambar dan catat batas saturasinya.

Memulai percobaan Sebelum memulai percobaan, isi dan tanda tangani lembar penggunaan meja yang tertempel pada masing-masing meja praktikum 1.

Diamati juga bentuk gelombang sinyal output yang melewati batas saturasi di atas pada mode dual trace. Perhatikan apa yang menentukan batas saturasinya.

Penguat kelas A

Menyusun rangkaian Disusun rangkaian tahap penguat kelas A dan sumber arus biasnya seperti tampak pada gambar 1. Nilainilai komponen dan bersaran tegangan catu daya yang dipilih adalah R1 = 5,6k , R2 = 1,2k , R3 = 1,2 , RL = 56 W, Q1 = Q2 =BD139, dan VCC = 6V.

Diubah nilai resistansi beban RL menjadi 33 1W dan amati kembali kurva VTC-nya. Catat juga batas saturasinya. Bandingkan dengan hasil sebelumnya dan perhatikan apa yang menentukan batas saturasinya. Pengamatan Linieritas Kuantitatif

Diberikan input pada penguat dari sumber sinyal dari generator sinusoidal 2Vpp 1KHz. Gambar 6 Rangkaian pengamatan penguat kelas A

Pengamatan Kualitatif Linieritas dan VTC


4

Diturunkan amplitudo sinyal input hingga sinyal output berada di bawah batas tegangan saturasinya (pada kisaran 9-10 Vpp)

Digunakan fungsi Fast Fourier Transform (FFT) pada osiloskop untuk mengamati spektrum sinyal output dengan menekan tombol MATH dan yakinkan bahwa fungsi MATH dilakukan untuk sumber sinyal dari kanal 2 (sinyal output). Diatur tampilan display sehingga dapat diperoleh pengamatan yang lebih teliti (pada kisaran skala 10dB/div dan posisi 3dB). Diamati spektrum sinyal output ini untuk amplituda sinyal pada frekuensi dasar, harmonik kedua dan harmonik ketiga.

Menyusun rangkaian Disusun rangkaian seperti pada Gambar3. Komponen yang digunakan transistor Q1 BD139 dan Q2 BD140 , resistansi beban RL 33 ohm 1 W, dan tegangan catu Vcc 6 V. Digunakan ampere meter untuk mengukur arus dari kedua catu daya.

Diberikan input pada penguat dari sumber sinyal dari generator sinusoidal 4Vpp 1KHz. Hubungkan osiloskop untuk mengamati sinyal input dan outputnya. Pengamatan Kualitatif Linieritas dan VTC

Dilakukan juga pengamatan spektrum untuk sinyal input (ch 1). Dengan mengubah sumber input fungsi MATH.

Diaktifkan tampilan kanal 1 (ch 1) agar dapat membaca besaran amplituda sinyal input dan ubah sinyal input untuk amplituda input yang lebih kecil (pada kisaran 4 Vpp). Kembali nonaktifkan tampilan kanal 1 untuk memudahkan pengamatan spektrum sinyal outputnya (ch 2). Lalu amati spektrum sinyal outputnya (kanal 2). Dilakukan juga untuk sinyal amplituda output yang melebihi batas saturasi (pada kisaran 11-12 Vpp) dan amati spektrum sinyal outputnya. Pengamatan Daya Disipasi dan Daya pada beban Dikembalikan osiloskop pada pengamatan dual trace dan nonaktifkan pengamatan FFT dengan menekan tombol MATH hingga lampu indikator mati. Berikan sinyal input terkecil dari generator sinyal, amati dan catat arus dari kedua catu daya, serta tegangan output (beban). Dihitung dan perhatikan daya yang terdisipasi saat tahap penguat tidak mendapat sinyal input.

Dilakukan kembali pengamatan di atas untuk tegangan input 2, 4 , 6, dan 10 Vpp. Diperhatikan besaran daya catu (supplied power), daya terdisipasi pada penguat, dan daya pada beban. 2.

Diamati dan dicatat bentuk sinyal tegangan input dan outputnya dengan osiloskop. Perhatikan distori bentuk sinyal dan penyebabnya.

Diubah amplituda tegangan input (pada kisaran 9-10 Vpp) agar cukup besar sehingga tegangan output tampak memasuki batas saturasi dan gunakan mode xy pada osiloskop untuk mengamati kurva karakteristik alih tegangan (VTC). Diamati dan dicatat kuva VTC yang diperoleh. Perhatikan distorsi yang ada pada tahap penguat jenis ini. Pengamatan Linieritas Kuantitatif Masih dalam keadaan tegangan input di bawah nilai saturasinya, digunakan fungsi FFT pada osilokop. Diamati spektrum sinyal input dan output dan catat besaran amplitudo untuk frekuensi dasar dan frekuensi harmonik ke tiga.

Dilakukan kembali langkah di atas untuk amplituda tegangan input yang jauh lebih kecil dari saturasi (pada kisaran 4 Vpp) dan untuk amplituda tegangan input yang lebih besar dari batas saturasi (pada kisaran 11-12 Vpp). Diamati dan dicatat amplitudo frekuensi dasar dan harmonik ketiganya. Pengamatan Daya Disipasi dan Daya pada Beban

Penguat pushpull kelas B


5

Digunakan sinyal terkecil dari generator sinyal, amati dan catat arus dari catu daya dan tegangan pada beban. Dihitung dan diperhatikan daya catu, daya disipasi dan daya pada bebannya.

Dilakukan kembali pengamatan di atas untuk tegangan input 2, 4 , 6, dan 10 Vpp. Perhatikan besaran daya catu (supplied power), daya terdisipasi pada penguat, dan daya pada beban. Pengamatan Tahap Output kelas B dengan Umpan Balik Penguat Operasional

Diubah rangkaian menjadi seperti pada Gambar 4. Komponen yang digunakan transistor Q1 BD139 dan Q2 BD 140, resistansi beban RL 33 1W, penguat operasional LM741, dan tegangan catu VCC 6V. Gunakan juga ampere meter untuk mengukur arus dari kedua catu daya.

Diberikan input pada penguat dari sumber sinyal dari generator sinusoidal 4Vpp 1KHz. Dihubungkan osiloskop untuk mengamati sinyal input dan outputnya. Diamati dan dicatat bentuk gelombang outputnya. Dibandingkan dengan hasil dengan hasil pengamatan sebelumnya tanpa umpan balik.

Diubah amplituda tegangan yang cukup besar hingga tegangan output tampak memasuki saturasi dan gunakan mode xy pada osiloskop untuk mengamati kurva karakteristik alih tegangan (VTC). Diamati dan dicatat bentuk kurva VTC ini. Dibandingkan dengan hasil pengamatan rangkaian tanpa umpan balik.

Dipindahkan titik pengamatan output (kanal 2 atau Y) dari beban ke output penguat operasional. Diamati dan dicatat juga bentuk kurva VTC ini. Diperhatikan fungsi transfer rangkaian umpan baliknya.

Dikembalikan titik pengamatan output ke beban. Diatur tegangan input sehingga tegangan output sedikit di bawah nilai saturasinya. Memanfaatkan fungsi FFT pada osilokop amati spektrum sinyal input dan output dan dicatat besaran amplitudo untuk frekuensi dasar dan frekuensi harmonik ke tiga. Dibandingkan juga dengan hasil pengamatan rangkaian tanpa umpan balik.

Digunakan mode dual trace untuk mengamati tegangan output atau beban dan arus dari catu daya untuk sinyal tegangan input terkecil dan input 10Vpp. Dihitung dan diperhatikan daya catu, daya disipasi dan daya pada bebannya. 3.

Penguat Pushpull Kelas AB


6

Menyusun Rangkaian

Pengamatan Daya Disipasi dan Daya pada Beban

Disusun rangkaian seperti pada Gambar 5 dengan resistansi Resistor R1 dan R2 1,8k , dioda D1 dan D2 1N4001, transistor Q1 BD139 dan Q2 BD140, resistansi beban RL = 33 1W dan tegangan catu daya VCC 6V. Digunakan ampere meter untuk mengukur arus dari kedua catu daya.

Diberikan input pada penguat dari sumber sinyal dari generator sinusoidal 4Vpp 1KHz. Dihubungkan osiloskop untuk mengamati sinyal input dan outputnya. Pengamatan Kualitatif Linieritas dan VTC Diamati dan dicatat bentuk sinyal tegangan input dan outputnya dengan osiloskop. Diperhatikan bentuk sinyal output dan bandingkan dengan hasil tahap output kelas B. Diamati dan dicatat arus dari catu daya.

Dilakukan kembali pengamatan bentuk sinyal dan arus catu daya ini untuk resistansi R1 = R2 = 1 kΩ, dan untuk R1 = R2 = 4.7 kΩ

Diubah amplituda tegangan yang cukup besar hingga tegangan output tampak memasuki saturasi dan gunakan mode xy pada osiloskop untuk mengamati kurva karakteristik alih tegangan (VTC). Diamati dan catat bentuk kurva VTC ini.

Digunakan sinyal terkecil dari generator sinyal, diamati dan dicatat arus dari catu daya dan tegangan pada beban. Dihitung dan perhatikan daya catu, daya disipasi dan daya pada bebannya.

Dilakukan kembali pengamatan di atas untuk tegangan input 2, 4 , 6, dan 10 Vpp. Diperhatikan besaran daya catu (supplied power), daya terdisipasi pada penguat, dan daya pada beban. Disipasi pada Transistor dan Rangkaian Termal Disusun rangkaian sumber arus seperti pada Gambar 2 dengan resistansi R1 5,6k , R2 1,2k , R3 1,2 dan transistor BD139 yang dilengkapi dengan heatsink (pendingin). Digunakan amperemeter untuk mengukur arus kolektor dan voltmeter untuk mengukur tegangan kolektor-emitor.

Dihubungkan terminal kolektor dengan tegangan 0V. Diberikan tegangan –VCC 6V kemudian diamati dan diukur arus saat relatif stabil dan ukur temperatur ambient dan temperatur pada sirip terjauh heatsink dan pada casing transistor. Diturunkan tegangan –VCC 6V hingga arus kolektor naik sekitar 20% dan kembali amati dan ukur arus serta temperatur seperti di atas.

Diulangi langkah di atas untuk arus 50% arus awal. Mengakhiri Percobaan

Dilakukan kembali pengamatan VTC ini untuk resistansi R1 = R2 = 1kΩ, dan untuk R1 = R2 = 4.7 kΩ. Diperhatikan juga area kurva VTC disekitar tegangan input nol.

Selesai praktikum dirapikan semua kabel dan dimatikan osiloskop, generator sinyal serta dipastikan juga multimeter analog, multimeter digital ditinggalkan dalam keadaan mati (selector menunjukan ke pilihan off).

Pengamatan Linieritas Kuantitatif Dikembalikan resistansi bias R1 = R2 = 1 kΩ diatur tegangan input sehingga tegangan output sedikit di bawah nilai saturasinya. Memanfaatkan fungsi FFT pada osilokop diamati spektrum sinyal input dan output dan dicatat besaran amplitudo untuk frekuensi dasar dan frekuensi harmonik ke tiga.

Dilakukan kembali langkah di atas untuk amplituda tegangan input yang jauh lebih kecil dari saturasi dan untuk amplituda yang lebih besar dari saturasi. Diamati dan dicatat amplitudo frekuensi dasar dan harmonik ketiganya.

Dimatikan MCB dimeja praktikum sebelum meninggalkan ruangan.

Diperiksa lembar penggunaan meja.

DIpastikan asisten telah menandatangani catatan percobaan kali ini pada Buku Catatan Laboratorium.


7

4.

Gambar 10 Mode dual trace sinyal input dan output saat melewati batas saturasi penguat kelas A

HASIL DAN ANALISIS 

PENGUAT KELAS A

Pengamatan kualitatif linieritas dan VTC Pada percobaan pertama ini dilakukan pengamatan kualitratif linieritas dan VTC pada penguat kelas A. Dibuat rangkain penguat kelas A terlebih dahulu dengan nilai-nilai komponen sesuai dengan metodologi. Lalu diberikan input penguat yang berasal dari generator sinyal sinusoidal dengan input tegangan sebesar 2 Vpp dan frekuensi 1 kHz. Kemudian diperoleh hasil sinyal sebagai berikut : Gambar 7 Sinyal input dan output penguat kelas A (RL = 56 Ω)

Gambar 8 Voltage Transfer Characteristics penguat kelas A (RL = 56 Ω)

Dari gambar diatas (Gambar 7 dan 8) terlihat bahwa sinyal input hampir identic dengan sinyal output, dimana tegangan output memiliki peak to peak yang sama (hanya bergeser kebawah) dengan tegangan inputnya. Hal ini berarti bahwa penguatan yang dihasilkan pada penguat kelas A adalah mendekati 1. Selain itu terlihat pula dari kutva karakteristik VTC yang dihasilkan berbanding lurus (linier) atau memiliki kemiringan 1 V/V. Pada saat tegangan output diperbesar hingga mendekati batas saturasinya, tegangan inputnya yaitu sebesar 7.2 Vpp. Berikut kurva karakteristik VTC dan sinyal input-output mode dual trace saat terjadinya saturasi : Gambar 9 Mode XY sinyal input dan output saat batas saturasi penguat kelas A (RL = 56 Ω)

Setelah dilakukan pengamatan dengan resistansi beban 56 Ω, selanjutnya dilakukan pengamatan kurva VTC untuk resistansi beban sebesar 33 Ω sebagai berikut : Gambar 11 Kurva Voltage Transfer Characteristics penguat kelas A (RL 33 Ω)

Besarnya tegangan input saat outputnya berada pada batas saturasi yaitu sebesar 3 Vpp. Pada Gambar 10 terlihat bahwa sinyal output terpotong pada bagian bawah. Batas saturasi bawah pada penguat kelas A bergantung pada besarnya nilai resistansi beban. Apabila dibandingkan besarnya tegangan saat saturasi untuk RL 56 Ω dan 33 Ω diketahui bahwa semakin kecil nilai resistansi beban (RL) maka semakin kecil pula swing outputnya sehingga batas saturasinya semakin turun. Pengamatan Linieritas Kuantitatif Dikembalikan beban pada nilai resistansi beban sebesar 56 Ω. Lalu diturunkan tegangan input menjadi dibawah 7.2 Vpp. Dengan menggunakan mode Fast Fourier Transfor (FFT) pada osiloskop, kita dapat mengamati sinyal penjumlahan dari berbagai sinyal sinusoidal. Spectrum sinyal output untuk amplitude sinyal pada frekuensi dasar, harmonic kedua, hamonik ketiga sebagai berikut : Table 1 Pengukuran amplitude spectrum sinyal input dan output penguat kelas A

Frekuensi \ Spektrum

Sinyal output

Sinyal input

Frekuensi dasar (1000 Hz)

53.2 dB

55.6 dB

Harmonik pertama (2000 Hz)

12.8 dB

12.8 dB

Harmonik kedua (3000 Hz)

9.2 dB

9.2 dB


8

Table 2 Pengukuran amplitude spectrum saat sinyal input 4 Vpp dan saat batas saturasi penguat kelas A


Saat input 4 Vpp

Saat batas satursi

Frekuensi dasar (1000 Hz)

51.6 dB

62 dB

Harmonik pertama (2000 Hz)

7.6 dB

Harmonik kedua (3000 Hz)

4 dB

44 dB

35.6 dB

Table 3 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efiiensi penguat kelas A (1)

V input

I+ (mA)

I- (mA)

Vo (V)

Vmin

53.7

69.6

0.6

2 Vpp

11.3

66.3

0.7

4 Vpp

26.6

61.5

1.42

6 Vpp

24.5

67.3

2.1

10 Vpp

62.5

68.3

3.19

Setelah data I+, I-, serta Vo seperti table diatas, dengan menggunakan rumus (F 2) – (F 5) dilakukan perhitungan untuk mencari daya sumber, daya beban, daya disipasi, dan efisiensi penguat sebagai berikut :

Pada pengamatan linieritas kuantitatif ini, diperolehh tiga kondisi sinyal input yang berbeda Table 4 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efiiensi yaitu saat sinyal input berada dibawah batas penguat kelas A (2) saturasi, pada batas saturasi dan diatas batas V input Ps (mW) Pl (W) Pd (mW) H saturasi. Saat sinyal input berada dibawah batas saturasi, sinyal output masih berbentuk sinusoidal Vmin 739.8 0.003 0.7366 0.434 % dan pada FFT nya hanya menghasilkan amplitude sinyal pada frekuensi dasar saja. Berbeda halnya 2 Vpp 465.6 0.004 0.4612 0.94 % ketika kita mengamati saat sinyal berada pada batas saturasi dan diatas daerah saturasi, sinyal 4 Vpp 528.6 0.018 0.5106 3.406 % output menjadi terpotong atau dengan kata lain sinyal output sudah mulai mengalami distorsi. 6 Vpp 550.8 0.039 0.5114 7.149 % Sinyal output tidak berbentuk sinyal sinusoidal lagi, sehingga pada FFT nya tidak hanya menghasilkan 10 Vpp 784.8 0.091 0.6939 11.58 % amplitude sinyal frekuensi dasar saja tetapi juga amplitude pada frekuensi harmonic kedua dan Untuk tegangan input dan output yang kecil, ketiga. menghasilkan daya beban dan disipasi yang kecil Karakteristik lain dari sinyal spectrum yang pula. Sehingga dapat dikatakan bahwa daya beban dihasilkan yaitu amplitude sinyal harmoniknya dan daya disipasi berbanding lurus dengan nilai menjadi semakin mengecil. Hal tersebut tegangan input dan outputnya. Berdasarkan menandakan distorsi semakin terlihat saat perhitungan daya diatas, diperoleh bahwa daya tegangan melebihi daerah saturasi. Selain itu disipasi rata-rata transistor adalah sebesar 0.583 W. semakin besar frekuensi, maka semakin kecil pula Untuk input paling besar 10 Vpp menghasilkan spectrum amplitudenya. Karaketeristik ini daya disipasi yang cukup kecil yaitu 11.58 %. menjelaskan mengapa untuk nilai tegangan input Sehingga diperoleh pula range efisiensi yaitu yang berbeda-beda menghasilkan nilai penguatan sekitar 0.4 – 11.58 %. Teori pada referensi [2] yang berbeda-beda pula meskipun perbedaannya menyatakan bahwa efisiensi untuk penguat kelas A sangat kecil. berselang antara 10-20 % dan efisiensi maksimum 25 %. Apabila dibandingkan, maka hasil percobaan Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban dapat dikatakan sudah mendekati teori. Namun Selanjutnya dilakukan pengukuran nilai arus pada karena beberapa kesalahan yang mungkin terjadi bjt yang dihubungkan dengan catu daya positif, saat percobaan (seperti ketidak telitian praktikan arus pada bjt yang dihubungkan dengan catu daya dalam pengukuran nilai arus dan tegangan) negative, serta dilakukan pengukura tegangan sehingga menghasilkan data yang tidak sama output pada beban. Berikut data yang diperoleh : persis dengan teori.



PENGUAT PUSHPULL KELAS B


9

Pengamatan kualitatif linieritas dan VTC Pada percobaan kedua ini dilakukan pengamatan kualitatis linieritas dan VTC sama seperti pada percobaan 1 namun dengan rangkaian penguat kelas B. Berikut hasil pengamatan yang diperoleh : Gambar 12 Sinyal input dan output penguat kelas B

Gambar 13 Kurva karakteristik alih tegangan (VTC) penguat kelas B

Table 6 Pengukuran amplitude spectrum sinyal saat input 4 Vpp dan saat batas saturasi penguat kelas B


Saat input 4 Vpp

Saat batas satursi

1000 Hz

52 dB

53.6 dB

2000 Hz

11.6 dB

12.8 dB

3000 Hz

6.8 dB

20.8 dB

Apabila dillihat pada table 5 dan 6 diatas, pada keadaan sinyal input berada dibawah nilai batas saturasinya , FFT nya menghasilkan amplitude sinyal pada frekuensi dasar, harmonic pertama, dan harmonic kedua. Hal ini dikarenakan pada keadaan tersebut sinyal output sudah mengalami distorsi. Sehingga jika sinyal input terus dinaikan pada nilai batas saturasi atau melebihinya, maka nilai amplitude frekuensinya akan semakin besar. Selain itu, pada penguat kelas B ini range nilai sebelum batas saturasinya lebih lebar dari penguat kelas A. Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban

Pada Gambar 12 dan 13 diatas dapat terlihat bahwa sinyal input dan output tidak linier. Meskipun sinyal input diatur pada nilai yang masih berada dibawah nilai saturasi, namun sinyal output yang dihasilkan sudah mengalami distorsi cross-over (sesuai dengan teori). Terjadnya distorsi ini disebabkan karena terdapat tegangan cut-in junction pada transistor yang menyebabkan perpindahan kondisi aktif transistor dari transistor NPN ke transistor PNP dan sebaliknya. Sehingga untuk nilai input pada range batas tegangan VBE (0.7 V sampai 0.7 V), transistor tidak diperkuat karena transistor berada pada daerah cut-off.

Table 7 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas B (1)

V in (Vpp)

I1 (mA)

I2 (mA)

Vo (V)

Vmin

0.03

0.03

5.0

2

1.98

2.2

0.15

4

9.83

10.24

0.73

6

17.4

18.0

1.29

10

33.0

38.4

2.81

Table 8 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas B (2)

Pengamatan Linieritas Kuantitatif Selanjutnya dilakukan perngamatan linieritas kuantitatif seperti pada penguat kelas A, dan diperoleh data sebagai berikut : Table 5 Pengukuran amplitude spectrum sinyal input dan output penguat kelas B

V input

Ps (mW)

Pl (W)

Pd (mW)

H

Vmin

0.000579

3.79 x 10-7

0.289

0.066 %

2 Vpp

0.01783

0.000359

8.74

2.06 %


Sinyal output

Sinyal input

4 Vpp

0.08535

0.00823

38.56

10.67 %

1000 Hz

54.8 dB

58 dB

6 Vpp

0.14962

0.02529

62.17

20.34 %

2000 Hz

19.6 dB

8 dB

10 Vpp

0.32542

0.11964

102.891

58.14 %

3000 Hz

29.6 dB

5.2 dB

Dapat dilihat bahwa pada tegangan input dan output yang kecil, menghasilkan daya beban dan disipasi yang kecil pula. Sehingga dapat dikatakan bahwa daya beban dan daya disipasi berbanding Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB

1 0

lurus (linier) dengan nilai tegangan input dan outputnya. Berdasarkan data perhitungan daya diatas, didapatkan daya disipasi rata-rata sebesar 63.6 mW. Selain itu, ada input maksimum sebesar 10 Vpp diperoleh nilai efisiens yang cuku besar yaitu 58.14 %. Berdasarkan teori pada referensi [2] menyatakan bahwa untuk penguat kelas B, memiliki nilai maksimum efisiensi sebesar 𝜋/4 atau 78.5 %. Jika membandingkan kedua nilai efisiensi tersebut maka dapat dikatakan bahwa praktikum telah berhasil karena data yang diperoleh telah sesuai dengan referensi teori yang ada. Pengamatan tahap output kelas B dengan umpan balik (feedback) penguat operasional Selatelah dilakukan pengamatan pada penguat keas B, juga dilakukan pengamatan pada penguat kelas B yang diberi umpan balik (feedback) penguat operasional. Berikut hasil yang diperoleh : Gambar 14 Dual trace sinyal input dan output penguat kelas B dengan feedback op amp

Berbeda dengan hasil penguatan kelas B sebelumnya, penguat kelas B dengan umpan balik op amp menghasilkan sinyal output yang hampir sama dengan sinyal inputnya (penguatan 1) dan tidak terdapat distorsi. Penambahan op amp pada penguat kelas B ini berfungsi untuk menjaga tegangan output agar sama dengan tegangan inputnya. Tidak hanya itu, op amp juga berperan untuk menekan distorsi akibat ketidak seimbangan penguatan arus transistor NPN dan PNP. Dilihat dari kurva karakteristik tegangan, output op amp terlihat sebagai komplemen dari sinyal distrosi cross-over sehingga apabila kedua sinyal dijumlahkan maka diperoleh kurva karakteristik yang linier. Untuk hasil FFT saat sinyal input berada dibawah nilai batas saturasi hanya memiliki frekuensi dasar. Lalu sinyal input yang melewati nilai batas saturasinya memiliki frekuensi dasar, harmnik kedua, dan harmonic ketiga. Table 9 Pengukuran amplitude spectrum sinyal input dan output penguat kelas B dengan feedback op amp

Gambar 15 Kurva VTC penguat kelas B dengan feedback op amp

Gambar 16 Kurva VTC penguat kelas B dengan feedback op amp saat memasuki daerah saturasi


Sinyal output

Sinyal input

1000 Hz

55.6 dB

54.8 dB

3000 Hz

6.4 dB

12.4 dB

Berdasarkan data pengamatan kualitatif seperti pada table diatas diketahui bahwa penguatan tidak murni linier. Hal ini karena yang semakin besar frekuensi harmoniknya, amplitude sinyal yang dihasilkan menjadi semakin kecil. Sehingga ketidak linieraan lebih kecil jika dibandingkan dengan penguat kelas B tanpa menggunakan feedback dengan op amp. Table 10 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas B dengan feedback op amp (1)

V input

I1 (mA)

I2 (mA)

Vo (V)

Vmin

1.2

1.01

0.075

10 Vpp

37.7

39.1

3.09

Table 11 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas B dengan feedback op amp (2) Gambar 17 Kurva VTC dengan output pada op amp (penguat kelas B dengan feedback op amp)

V input

Ps (mW)

Pl (mW)

Pd (mW)

H

Vmin

0.008686

8.5 x10-5

8.6 x10-

0.979 %

3

10 Vpp

0.357846

0.144668

0.213

40.427 %


11

Berdasarkan data pada tebel diatas, terlihat bahwa tegangan input berbanding lurus (linier) dengan daya beban dan daya disipasinya. Untuk tegangan input terbesar yaitu 10 Vpp menghasilkan efisiensi sebesar 40.427 %. Nilai ini lebih kecil dibandingkan dengan efisiensi pada 10 Vpp untuk penguat kelas B tanpa op amp (yaitu 58.14 %). Hal ini menunjukan bahwa dengan adanya penambahan feedback dengan op amp pada penguat kelas B maka akan menurunkan efisiensi penguat.



Gambar 21 Dual trace sinyal input-output penguat kelas AB (R1 = 1 kΩ)

PENGUAT PUSHPULL KELAS AB

Pengamatan kualitatif linieritas dan VTC Gambar 18 Dual trace sinyal input dan output penguat kelas AB (R1 = 1.8 kΩ)

Gambar 19 Kurva VTC penguat kelas AB (R1 = 1.8 kΩ)

Gambar 22 VTC sinyal input-output penguat kelas AB (R1 = 1 kΩ)

Gambar 23 VTC saat saturasi penguat kelas AB (R1 = 1 kΩ)

Berdasarkan data pengamatan pada mode dual trace sinyal input dan output, terlihat bahwa kedua sinyal identic. Selain itu dari pengamatan kurva karakteristik VTC nya teramati bentuk garis lurus dengan kemiringan kurva 1 V/V. sehingga dapat disimpulkan bahwa sinyal tersebut linier.

Gambar 24 Dual trace sinyal input-output penguat kelas AB (R1 = 4.7 kΩ)

Gambar 20 Kurva VTC saat saturasi penguat kelas AB (R1 = 1.8 kΩ)


12

Gambar 25 VTC sinyal input-output penguat kelas AB (R1 = 4.7 kΩ)

tersebut dapat disimpulkan penguat kelas ini bagus dalam hal linieritas. Pengamatan daya disipasi dan daya pada beban Table 13 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas AB (1) (*data percobaan diperoleh dari Husin Abubakar A. 13213001)

Gambar 26 VTC saat saturasi penguat kelas AB (R1 = 4.7 kΩ)

V input

I1 (mA)

I2 (mA)

Vo (V)

Vmin

0.17

21.8

0.46

2 Vpp

8.26

24.33

1.82

4 Vpp

16.16

32.28

3.72

6 Vpp

25.07

40.82

5.61

10 Vpp

43.51

54.98

8.59

Table 14 Pengukuran daya beban, daya disipasi dan efisiensi penguat kelas AB (2) (*data percobaan diperoleh dari Husin Abubakar A. 13213001)

Terlepas dari saturasi yang tetap terjadi pada sinyal, batas tegangan inpu agar tidak terjadi distorsi menjadi semakin besar. Selain itu distorsi cross-over yang terjadi pada penguat kelas B, tidak terjadi pada penguat jenis ini. Hal-hal tersebut merupakan keuntungan dari penguat kelas AB. Pengamatan Linieritas Kuantitatif Table 12 Pengukuran amplitude spectrum sinyal input dan output penguat kelas AB (*data percobaan diperoleh dari Husin Abubakar A. 13213001)

V input / Frekuensi

Frekuensi dasar (1 kHz)

Harmonik ketiga (3 kHz)

8 Vpp

37.5

-

10 Vpp

58.1

22.5

Berdasarkan data pengamatan kualitatif seperti pada table diatas diketahui bahwa penguatan tidak linier. Hal ini karena yang semakin besar frekuensi harmoniknya, amplitude sinyal yang dihasilkan menjadi semakin kecil. Untuk tegangan input yang jauh lebih besar dari saturasinya menampilkan amplitude harmonic yang juga besar sedangkan untuk tegangan input yang lebih kecil dari saturasi menunjukan amplitude harmonic yang sangat kecil. Dari hal

V input

Ps (W)

Pl (W)

Pd (W)

H

Vmin

0.0266

0.0008

0.0258

3.009 %

2 Vpp

0.1054

0.013

0.0928

11.91 %

4 Vpp

0.215

0.052

0.0163

24.34 %

6 Vpp

0.325

0.119

0.2056

36.7 %

10 Vpp

0.497

0.289

0.2178

56.19 %

Pada amplitude sinyal input yang kecil, daya beban serta daya disipasi yang dihasilkan juga kecil. Sedangkan untuk amplitude sinyal yang lebih besar, dihasilkan daya beban dan disipasi beban yang besar pula. Sehingga dapat dikatakan bahwa daya pada beban daya disipasi pada penguat kelas AB ini berbanding lurus (linier) dengan nilai sinyal input dan outputnya. Dalam hal efisiensi, pada sinyal input terbesar (10 Vpp) dihasilkan efisiensi sebesar 56.19 %. Oleh karena itu, penguat kelas AB ini dapat dikatakan baik dalam hal efisiensi.



DISIPAS PADA TRANSISTOR DAN RANGAKAIAN TERMAL

*Percobaan ini tidak sempat dilakukan karena keterbatasan waktu saat praktikum.

5.

KESIMPULAN

Percobaan yang dilakukan pada praktikum I tahap output penguat daya ini bertujuan antara lain untuk mengamati karakteristik dari ketiga kelas


13

penguat yaitu kelas A, B, dan AB. Setelah dilakukan pengamatan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : Tahap output penguat daya terdiri dari beberapa kelas yang tiap-tiap kelas tersebut memiliki kelemahan dan kelebihan masing-masing. Faktor yang memberdakan tiap kelas tersebut yaiut dilihat dari batas penguatannya, linieritas (kualitatif dan kuantitatif), daya disipasinya, serta efiensi yang dihasilkan. Kelas penguat yang linier secara kualitatif belum tentu dapat dikatakan linier secara kuantitatif.

DAFTAR PUSTAKA [1]. Mervin T Hutabarat, Praktikum Elektronika II Laboratorium Dasar Teknik Elektro ITB,Bandung, 2015. [2]. Adel S. Sedra and Kennet C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, USA, 2004. [3]. https://arhild.wordpress.com/2012/01/07/pen guat-kelas-a/, 19 September 2015, 10:40. [4]. https://tektro2011.files.wordpress.com/2013/0 2/chapter_7_output_penguat_daya.pdf, 19 September 2015, 10:39.

Penguat kelas A memiliki swing sinyal yang baik, namun untuk batas bawah sinyalnya masih terpengaruh oleh nilai RL yang digunakan (apabila arus bias tidak mencukupi). Distorsi saturasi terjadi ketika rangkaian diberi tegangan input yang terlalu besar. Pada penguat kelas A, daya disipasi yang dihasilkan cukup besar sedangkan efisiensi maksimumnya cukup kecil (berkisar antara 10 – 20 %). Penguat kelas B terjadi distorsi cross-over yang disebabkan karena adanya tegangan cut-in pada transistor. Daya disipasi yang dihasilkan pada penguat kelas B berbanding lurus dengan inputnya. Untuk besar efisiensi yang dihasilkan yaitu berkisar antara 50 - 60 %. Distorsi cross-over yang terjadi pada penguat kelas B ini, dapat minimalisasi dengan penambahan rangkaian umpan balik (feedback) operasional amplifier . Namun dengan penambahan feedback ini dapat mengurangi sedikit efisiensi dari rangkaian. Penguat kelas AB merupakan kelas yang mengkombinasikan kelebihan-kelebihan dari penguat kelas A dan penguat kelas B. Dari rangkain penguat kelas AB hasil yang diperoleh yaitu sinyal output dengan swing yang baik serta linieritas yang baik namun dengan tidak adanya distorsi cross-over. Selain itu daya disipasi yang dihasilkan berbanding lurus dengan inputnya dan efisiensi yang dihasilkan cukup tinggi (sekitar 56.19 %). Secara garis besar dapat disimpulkan bahwa untuk batas penguatan, linieritas, daya disipasi, dan efisiensi dari suatu penguatan palinh baik adalah penguat kelas AB.


14

MODUL I TAHAP OUTPUT PENGUAT DAYA

Recommend Documents