PENGUAT AWAL MENGGUNAKAN TABUNG HAMPA PADA ARAS TEGANGAN RENDAH
Disusun Oleh Demas Sabatino NIM : 612008013
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
September 2013
PENGUAT AWAL MENGGUNAKAN TABUNG HAMPA PADA ARAS TEGANGAN RENDAH
Demas Sabatino Nim : 612008013
Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga 2014 Pembimbing : Dr. Matias H.W.Budhiantho Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng
INTISARI Dalam tugas akhir ini dibuat penguat awal dengan menggunakan tabung hampa pada tegangan kerja 12V DC. Untuk merancang untai tabung hampa pada aras tegangan rendah maka telah dilakukan pengukuran untuk mendapatkan grafik karakteristik trioda 12AT7. Untai tabung hampa direalisasikan dengan topologi katoda bersama yang dikaskade dengan anoda bersama. Dari hasil pengukuran didapatkan spesifikasi penguat awal yaitu impedansi masukan sebesar 1.11MΩ, impedansi keluaran 3.5KΩ pada kanal kanan dan 3.2KΩ pada kanal kiri, THD maksimal terjadi pada frekuensi 4KHz di kanal kanan yaitu sebesar 1.7%, bati tegangan 20.08dB pada kanal kanan dan 20dB pada kanal kiri, sensitivitas 212mVrms, aras keluaran maksimal 2Vrms, tanggapan frekuensi 60Hz – 20KHz ± 0.5dB. Penguat awal ini dapat digunakan secara bergantian dalam dua mode, yaitu mode linier dan mode distorsi berupa efek flanger. Pada mode distorsi tanggapan frekuensi yang dihasilkan berupa tapis sisir (comb filter). Spesifikasi tersebut telah mendekati spesifikasi awal yang telah ditetapkan pada tugas akhir ini. i
KATA PENGANTAR Untuk Tuhan, dan untuk setiap penyertaanNya, dengan segala keterbatasan kosa kata manusia, terimakasih. Dan biarlah ucapan syukur ini akan selalu ada untukNya, karena semua yang terjadi ini adalah kehendakNya. Terimakasih juga terkirim untuk bapak dan ibuk, untuk setiap doa, kasih sayang, kepercayaan, dan semua yang telah kalian beri atau bahkan korbankan. Semoga semua yang baik ini dapat terbalaskan dan tersalur melalui anak-anaknya, kepadanya ataupun cucu-cucunya. Kalaupun kami tidak dapat membalas semuanya itu, kiranya Tuhan yang melakukannya. Ketika penulis berstatus sebagai mahasiswa baru, terdapat beberapa kakak angkatan yang bersinar di masanya. Tersebutlah Susetyadi dan Rea, dua orang yang memiliki level yang ingin, namun hingga akhir kuliah tak dapat, disamai penulis. Kemudian ketika penulis duduk di bangku kuliah, teman menjadi suatu hal yang tak akan terlupakan. Di titik ini mereka adalah orang-orang yang memindahmu dari tidur di lapangan basket ke studio XT ketika kamu mabuk berat, kotor bersama saat panjat pinang, menikmati sunrise bersama di suatu puncak atau sunset di suatu pantai. Dung, Cristo, Dhika, Jembling, Caesar, Pantek, Dhani, Yahya, Riyo, Bambut, Face, Mey, Catur adalah beberapa diataranya. Gading juga termasuk di dalamnya, bahkan dia menjadi teman seperjuangan dalam kubangan lab skripsi. Aldo, Penda, Tolgung, Wedha, Ari, DK dan Ivan Gondrong juga telah jadi bagian dalam keseharian penulis. Untuk semuanya terimakasih. Perjalanan perkuliahan juga tidak akan lepas dari teman antar angkatan yang selalu ada setiap waktu. Duduk-duduk di rindang sambil menyambut matahari terbenam, bermain kartu hingga larut sore, atau minum sambil bernyanyi bersama adalah salah satu dari sekian banyak kesenangan yang sering kita lakukan. Untuk itu semua terimakasih Astu, Ivan, Wawa, Dancuk, Yona, Anton, Tris, Rino, Tepe, Galang, Kumis, Andikatan, Robot dan teman teman lainnya. Untuk teman teman yang belum disebutkan namanya jangan berkecil hati, kali ini
ii
mungkin penulis lupa menuliskan nama kalian, namun jasa kalian tidak akan dilupakan. Masa skripsi adalah salah satu masa tak terlupakan saat kuliah. Masa dimana waktu berjalan lebih cepat − mungkin jatuh cinta akan membuatnya berjalan normal kembali. Dalam perjalanannya, akan terdapat satu saat dimana makanan favorit menjadi tak enak walaupun tetap habis. Atau suatu saat ketika tidur adalah satu-satunya jalan keluar suatu masalah. Masa-masa inilah dosen dengan status pembimbing akan menjadi lebih dekat, dibanding ketika berstatus pengajar. Terimakasih Pak Matias dan Pak Gunawan untuk ide-ide dan bimbingannya dalam menjalani masa ini, juga kepada jajaran dosen untuk kontribusinya hingga penulis mencapai kesempurnaan mahasiswa, sarjana. Dan inilah dia, perjalanan penulis sebagai mahasiswa akan segera berakhir. Detik-detik ujian akhir semakin dekat, dimulai dari titik terakhir dalam rangkaian kata di tugas akhir ini.
Salatiga, Agustus 2014
Penulis
iii
DAFTAR ISI
INTISARI ..................................................................................................................... i KATA PENGANTAR ................................................................................................. ii DAFTAR ISI............................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. vii DAFTAR SIMBOL .................................................................................................... ix BAB I. PENDAHULUAN ........................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang ................................................................................................... 1 1.2. Gambaran Tugas dan Spesifikasi Alat ............................................................... 3 1.3. Sistematika Penulisan ......................................................................................... 5 BAB II. LANDASAN TEORI .................................................................................... 6 2.1. Tabung Hampa ................................................................................................... 6 2.2. Trioda ................................................................................................................. 8 2.3. Grafik Karakteristik Trioda ................................................................................ 9 2.4. Analisa Untai Trioda Melalui Grafik Karakteristiknya .................................... 11 2.5. Analisa Sinyal Kecil (Small Signal Analysis) .................................................. 13 2.6. Topologi Untai Trioda ...................................................................................... 18 2.6.1. Penguat Katoda Bersama ........................................................................... 18 2.6.2. Penguat Anoda Bersama ............................................................................ 19 2.6.3. Penguat Kisi Bersama................................................................................ 21 2.7. Prategangan Kisi............................................................................................... 23 2.8. Untai Ragam Cacat ........................................................................................... 25 BAB III. PERANCANGAN ..................................................................................... 27 3.1. Pemilihan Topologi Untai Tabung Hampa ...................................................... 27 3.2. Grafik Karakteristik Tabung Hampa Pada Aras Tegangan Rendah................. 30
iv
v
3.2.1. Pengukuran Grafik Karakteristik Alih....................................................... 30 3.2.2. Pengukuran Grafik Karakteristik Anoda ................................................... 31 3.3. Hasil Pengukuran Grafik Karakteristik ............................................................ 32 3.4. Perancangan Tegangan Prasikap (Bias) Penguat ............................................. 34 3.5. Perancangan Untai Katoda Bersama ................................................................ 35 3.6. Perancangan Untai Anoda Bersama ................................................................. 36 3.7. Perancangan Untai Prategangan Kisi ............................................................... 37 3.8. Untai Penentu Tanggapan Frekuensi ................................................................ 40 3.8.1. Tapis Lolos Atas ........................................................................................ 40 3.8.2. Tapis Lolos Bawah .................................................................................... 42 3.9. Untai Ragam Cacat ........................................................................................... 44 3.9.1. Untai Penunda ........................................................................................... 45 3.9.2. Osilator Terkendali Tegangan ................................................................... 46 3.9.3. Osilator Frekuensi Rendah ........................................................................ 47 3.9.4. Pencampur ................................................................................................. 48 BAB IV. PENGUJIAN PENGUAT AWAL ............................................................ 49 4.1. Pengukuran Prategangan Penguat Awal ........................................................... 49 4.2. Pengukuran Bati Tegangan Penguat Awal ....................................................... 49 4.3. Pengujian Kepekaan Penguat Awal ................................................................. 52 4.3. Pengukuran Hambatan Masukan Penguat Awal .............................................. 54 4.4. Pengukuran Hambatan Keluaran Penguat Awal .............................................. 55 4.5. Pengujian Tanggapan Frekuensi Penguat Awal ............................................... 56 4.6. Pengujian THD Penguat Awal ......................................................................... 59 BAB V. PENUTUP.................................................................................................... 61 5.1 Kesimpulan ........................................................................................................ 61 5.2 Saran Pengembangan ........................................................................................ 62 DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 63 LAMPIRAN A Tabel Hasil Pengukuran Grafik Karakteristik Anoda (12AT7) 65
vi
LAMPIRAN B Tabel Hasil Pengukuran Grafik Karakteristik Alih (12AT7) .... 67 LAMPIRAN C Gambar Rangkaian Efek Flanger ................................................ 68 LAMPIRAN D Lembar Data HEF4046 ................................................................. 69
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 (a) Aliran elektron dalam tabung hampa pada dioda (b) Lambang dioda 7 Gambar 2.2 Tampilan bagian trioda ............................................................................. 8 Gambar 2.3 Grafik Karakteristik Alih ECC83............................................................ 10 Gambar 2.4 Grafik Karakteristik Anoda ECC83 ........................................................ 10 Gambar 2.5 Untai penguat sederhana trioda .............................................................. 11 Gambar 2.6 Grafik karakteristik trioda ECC83, garis beban, dan titik kerjanya ....... 12 Gambar 2.7 Isyarat masukan dan isyarat keluaran yang dihasilkan .......................... 13 Gambar 2.8 (a) Trioda. (b) Trioda dimodelkan sebagai sumber tegangan trioda. (c) Trioda dimodelkan sebagai sumber arus trioda ................................... 14 Gambar 2.9 Mencari nilai ra dari grafik karakteristik anoda ..................................... 15 Gambar 2.10 Mencari nilai gm dari grafik karakteristik anoda .................................. 16 Gambar 2.11 Mencari nilai µ dari grafik karakteristik anoda .................................... 17 Gambar 2.12 (a) Untai penguat katoda bersama. (b) Untai setara penguat katoda bersama. ................................................................................................ 18 Gambar 2.13 (a) Untai penguat anoda bersama. (b) Untai setara penguat anoda bersama ................................................................................................ 20 Gambar 2.14 Untai impedansi keluaran anoda bersama ............................................ 21 Gambar 2.15 (a) Untai penguat kisi bersama. (b) Untai setara penguat kisi bersama 22 Gambar 2.16 Untai prategangan kisi dengan untai pembagi tegangan ....................... 24 Gambar 2.17 Untai prategangan kisi dengan resistor pull down ............................... 25 Gambar 2.18 Tanggapan frekuensi tapis sisir ............................................................. 26 Gambar 2.19 Sistem flanger sederhana ..................................................................... 26 Gambar 3.1 Untai penguat awal tabung hampa ......................................................... 29 Gambar 3.2 (a) Grafik karakteristik alih trioda 6F6. (b) Grafik karakteristik anoda disertai dengan garis beban dan titik kerja (Q) ..................................... 30 Gambar 3.3 Untai pengukuran karakteristik alih ....................................................... 31 vii
viii
Gambar 3.4 Untai pengukuran karakteristik anoda ................................................... 32 Gambar 3.5 Grafik karakteristik anoda menurut hasil pengukuran. ........................... 33 Gambar 3.6 Grafik karakteristik alih menurut hasil pengukuran ............................... 33 Gambar 3.7 Pendekatan linieritas pada tegangan kisi -0.225V hingga 0.075V ......... 34 Gambar 3.8 Grafik karakteristik anoda beserta garis beban dan titik kerja ................ 35 Gambar 3.9 Untai prategangan kisi penguat katoda bersama .................................... 38 Gambar 3.10 Untai prategangan kisi penguat anoda bersama ................................... 39 Gambar 3.11 Untai penguat tabung hampa ................................................................ 39 Gambar 3.12 Tanggapan frekuensi rendah untai penguat katoda bersama ................ 40 Gambar 3.13 Untai tapis lolos bawah dan penyangga ............................................... 42 Gambar 3.14 Untai penguat awal ................................................................................ 44 Gambar 3.15 Blok diagram efek flanger .................................................................... 44 Gambar 3.16 Topologi dasar IC BBD ........................................................................ 45 Gambar 3.17 Konfigurasi pin IC HEF4046 sebagai VCO ......................................... 46 Gambar 3.18 Osilator frekuensi rendah ...................................................................... 47 Gambar 3.19 Untai pencampur ................................................................................... 48 Gambar 4.1 Untai penguat awal yang telah dirancang ............................................... 50 Gambar 4.2 Hasil pegukuran bati tegangan penguat ................................................. 51 Gambar 4.3 Isyarat keluaran maksimum penguat ....................................................... 53 Gambar 4.4 Pegukuran hambatan masukan untai penguat ........................................ 54 Gambar 4.5 Pegukuran hambatan keluaran untai penguat ......................................... 55 Gambar 4.6 Susunan perangkat pengujian tanggapan frekuensi penguat awal .......... 57 Gambar 4.7 Hasil pengujian tanggapan frekuensi penguat......................................... 57 Gambar 4.8 Tanggapan frekuensi penguat ragam cacat ............................................. 59 Gambar 4.9 Susunan perangkat pengujian THD penguat awal .................................. 60 Gambar 4.10 THD untai penguat awal terhadap frekuensi pada ragam linier ........... 60
DAFTAR SIMBOL
µ
Faktor penguatan tabung hampa
Av
Bati tegangan
Cbuf
Kapasitor kopling pada untai penyangga
CG1
Kapasitor kopling pada untai penguat katoda bersama
CG2
Kapasitor kopling pada untai penguat anoda bersama
CK
Kapasitor pelewat (bypass) pada kaki katoda
CLPF
Kapasitor penentu tanggapan frekuensi atas
fH
Frekuensi batas atas
fL
Frekuensi batas bawah
gm
Transkonduktans tabung hampa
Ia
Arus anoda
M
Waktu tundaan efek flanger
RA
Hambatan anoda
ra
Hambatan dalam tabung hampa
RG
Hambatan kisi
rin
Hambatan masukan penguat awal
rin-ca
Hambatan masukan penguat anoda bersama
rin-cc
Hambatan masukan penguat katoda bersama
RK
Hambatan katoda
RL
Hambatan beban
RLPF
Hambatan penentu tanggapan frekuensi atas
ix
x
ro
Hambatan keluaran penguat awal
rosc
Hambatan masukan osciloscope
rs
Hambatan keluaran pembangkit isyarat
Rvar
Hambatan variabel
Va
Tegangan total anoda
VAA
Tegangan catu anoda (DC)
Vak
Tegangan total antara anoda dan katoda
Vg
Tegangan total kisi
VGG
Tegangan catu kisi (DC)
Vgk
Tegangan total antara kisi dan katoda
vi
Isyarat masukan (AC)
vo
Isyarat keluaran (AC)
VRA
Tegangan DC hambatan anoda tabung hampa (RA)
Zin
Impedansi masukan
ω0
Frekuensi real nol (zero)
ωl
Frekuensi lembah tapis sisir
ωp
Frekuensi real kutub (pole)
ωp
Frekuensi puncak tapis sisir
