ELEKTRONIKA ANALOG Pertemuan 14 PENGUAT DAYA KELAS A Penguat sinyal besar (large signal) dimana penekanan adl pd penguatan daya, disebut dengan penguat daya. Klasifikasi penguat daya yang ada adalah kelas A, kelas B, kelas AB, dan kelas C. Titik Q Perhatikan gambar berikut.
Titik kerja Q Dalam keadaan tdk ada sinyal input, arus dan tegangan kolektor disebut arus dan tegangan kolektor stasioner. Misalkan bahwa arus kolektor stasioner adl 2 mA, maka tegangan kolektor-emiter stasioner adl:
1
VCE = VCC – IC(RC + RE) = 30 – 0,002 (3000 + 7500) = 9 V Sehingga koordinat titik Q adl 2 mA dan 9 V (gambar b). Garis Beban DC Garis beban DC menyatakan semua titik operasi DC yang mungkin. Jika transistor pd gambar di atas jenuh, maka
I C ( sat ) =
VCC 30 = = 2,86 mA RC + RE 3000 + 7500
Dan jika transistor dioperasikan pd daerah cut-off maka tegangan kolektoremiter adl: VCE(cut-off) = VCC = 30 V Gambar berikut memperlihatkan garis beban DC dengan titik Q yang telah diperoleh sebelumnya.
Garis beban DC Garis Beban AC Garis beban AC menyatakan semua titik operasi AC yang mungkin. Gambar berikut memperlihatkan rangkaian ekivalen AC penguat yang sama. Dari rangkaian ekivalen diperoleh:
vce + ie rE + ic rC = 0 Karena ic ≈ ie maka
2
ic = −
vce rC + rE
Rangkaian ekivalen AC Jika sinyal AC menggerakkan penguat, sinyal akan menyebabkan perubahan arus dan tegangan kolektor. Perubahan ini diberikan oleh: i c = I C − I CQ v ce = V CE − V CEQ
Dengan IC dan VCE adl arus dan tegangan kolektor DC, serta ICQ dan VCEQ adl arus dan tegangan kolektor stasioner. Dengan menyusun kembali maka diperoleh hubungan antara IC dan VCE sbb:
IC = −
VCEQ vCE + I CQ + rC + rE rC + rE
Grafik persamaan di atas ditunjukkan pada gambar berikut, dan disebut garis beban AC.
Garis beban AC
3
Garis beban AC memperagakan bagaimana operasi sinyal besar. Selama setengah periode positif tegangan sumber AC, arus kolektor berayun dari titik Q ke atas (arah saturasi atau penjenuhan). Sedangkan selama setengah periode negatif tegangan sumber AC, arus kolektor berayun dari titik Q ke bawah (arah cut-off). Utk sinyal AC yang besar, operasi dapat bergerak sepenuhnya menuju penjenuhan dan sepenuhnya menuju cut-off (menggunakan hampir semua daerah aktif). Contoh Untuk pengikut emiter pd gambar a berikut, gambarkan garis beban AC-nya.
Rangkaian untuk soal contoh Dari gambar rangkaian, maka tegangan DC pd resistor emiter adl kira-kira 10 V sehingga: I CQ =
10 = 0,2 A 50
VCEQ = 20 − 10 = 10 V
4
Rangkaian ekivalen AC dari penguat diperlihatkan pd gambar b. Resistansi emiter rE = 50||50 = 25 Ω dan rC = 0, maka:
I C ( sat ) = −
VCEQ VCEQ vCE + I CQ + = I CQ + rC + rE rC + rE rC + rE
= 0,2 +
10 = 0,6 A 0 + 25
Dan VCE(cut-off) = VCEQ + ICQ(rC + rE) = 10 + 0,2(0 + 25) = 15 V Titik Q dan garis beban AC penguat diperlihatkan pada gambar c. Contoh Pada gambar berikut diperlihatkan operasi suatu penguat.
Gambaran gerakan dari titik operasi sesaat Titik Q berada pada ICQ = 1 mA dan VCEQ = 7 V. Selama siklus positif sumber AC, arus kolektor berayun dari nilai 1 mA ke 1,5 mA dan tegangan kolektor-emiter berayun dari nilai 7 V ke 6 V. Selama siklus negatif sumber AC, arus kolektor berayun dari nilai 1 mA ke 0,5 mA dan tegangan kolektor-emiter berayun dari nilai 7 V ke 8 V. Dari kemiringan garis beban AC yaitu m = (1,5 – 0,5)/(6 – 8) =
5
–1/2 mA/V maka diperoleh tegangan cut-off VCE(cut-off) = 9 V dan arus saturasi IC(sat) = 4,5 mA. Letak titik Q dan pengaruhnya pada operasi penguat diperlihatkan pada gambar berikut.
(a) Pengguntingan titik cut-off (b) Pengguntingan penjenuhan (c) Sinyal tak tergunting maksimum (d) Titik Q diletakkan di pusat Gambar (a) Titik Q lebih dekat ke titik cut-off daripada ke titik saturasi. Akibatnya akan diperoleh pengguntingan titik cut-off (cut-off clipping). Gambar (b) Titik Q lebih dekat ke titik saturasi daripada ke titik cut-off. Akibatnya akan diperoleh pengguntingan titik saturasi (saturation clipping). Gambar (c) Titik Q berada di pusat garis beban AC. Pada kondisi ini maka ayunan yang diperoleh akan sama ke kedua arah sebelum terjadi pengguntingan.
6
Definisi Penguat Kelas A Penguat kelas A mensyaratkan bahwa transistor harus selalu dalam daerah aktif selama siklus AC. Operasi kelas A tidak memperkenankan adanya pengguntingan pada ujung garis beban AC. Tempat terbaik untuk titik Q dalam penguat kelas A adl pada pusat garis beban AC sehingga siklus output yang tak tergunting mempunyai kemungkinan ayunan yang terbesar. Pada gambar d di atas, titik Q ditempatkan pada pusat garis beban AC. Analisis geometris mengharuskan arus saturasi sama dgn 2 kali ICQ dan tegangan cut-off sama dengan 2 kali VCEQ, atau dinyatakan: IC(sat) = 2 ICQ VCE(cut-off) = 2 VCEQ Sedangkan VCE(cut-off) = VCEQ + ICQ(rC + rE) Sehingga
rC + rE =
VCEQ I CQ
Kesimpulan Untuk mendapatkan titik Q di pusat garis beban AC, resistansi AC dari rangkaian kolektor dan emiter harus sama dengan perbandingan antara tegangan kolektor stasioner dan arus kolektor stasioner. Kenyataan ini penting sekali dalam analisis dan perancangan penguat daya. Rumus-rumus Daya Kelas A Daya output maksimum Gambar berikut memperlihatkan penguat yang bekerja pada kelas A dan gambar b memperlihatkan garis beban AC-nya. Arus kolektor IC mrpk gelombang sinus dgn harga puncak ICQ dan tegangan kolektor-emiter jg mrpk sinus dgn harga puncak VCEQ.
7
(a) Rangkaian penguat digerakkan pd basisnya (b) Titik Q diletakkan di pusat Daya output AC maksimum diperoleh sbg:
Po(maks) = VRMS I RMS = =
VCEQ I CQ 2
2
VCEQ I CQ 2
Disipasi Daya Disipasi daya stasioner dari transistor adl: PDQ = VCEQ ICQ Berarti transistor mendisipasikan daya yg sama dengan hasil kali arus dan teganan stasioner. Data sheet transistor selalu mencantumkan disipasi daya maksimumnya. Disipasi daya maksimum ini terjadi pada kondisi tidak ada sinyal sehingga PD maks = PDQ Hubungan Daya Output dan Disipasi Daya Dgn memperhatikan rumusan utk daya output dan disipasi daya maka diperoleh hubungan daya output dan disipasi daya sbb:
Po(maks) =
VCEQ I CQ 2
=
PDQ 2
Ini berarti bahwa daya output AC maksimum adl setengah daya stasioner dan ini
8
yang terbaik yg dapat dilakukan dengan penguat kelas A. Misalkan akan dibuat penguat kelas A yg memberikan daya output AC 30 W maka diperlukan transistor yg dapat mendisipasikan daya sebesar 60 W pada kondisi tanpa sinyal. Efisiensi Efisiensi mrpk ukuran seberapa baik sebuah penguat mengkonversikan daya DC ke dalam daya output AC. Efisiensi output dinyatakan sebagai perbandingan daya output dgn daya input DC yg dicatukan ke rangkaian kolektor-emiter,
efisiensi = η =
Po PDC
Utk rangkaian catu tunggal dpt digunakan rumusan: efisiensi = η =
Po VCC I CQ
Utk rangkaian dua catu dpt digunakan rumusan: efisiensi = η =
(VCC
Po + VEE ) I CQ
PENGUAT BALANS (PUSH – PULL) KELAS B Penguat balans (push-pull) kelas B adl rangkaian dgn 2 transistor yg mpy keuntungan-keuntungan PD maks turun mjd seperlima dari daya beban dan aliran arus tanpa sinyal menjadi sekitar satu persen dari IC(sat). Keuntungan pertama sangat penting terutama jika diperlukan daya beban yg besar misalnya pada pemancar komunikasi, keuntungan kedua penting dalam sistem tenaga dengan baterei. Dalam rangkaian kelas B, transistor berada dlm daerah aktif utk setengah perioda. Selama setengah perioda yang lain, transistor tsb cut-off. Ini berarti arus kolektor mengalir utk 180° dalam tiap transistor pd rangkaian penguat kelas B. Perhatikan bahwa pd rangkaian penguat kelas A arus kolektor mengalir 9
utk seluruh perioda atau 360°. Penguat kelas AB adl penguat yg beroperasi antara kelas A dan B. Transistor pd kelas AB berada dlm daerah aktif utk lebih dari setengah perioda tetapi kurang dari 360°.
Bentuk gelombang arus kolektor (a) Kelas A (b) Kelas B (c) Kelas C Garis Beban AC Kelas B Garis beban AC utk penguat kelas B diperlihatkan pd gambar berikut. Titik Q berada pada titik cut-off atau mpy koordinat: ICQ = 0 VCEQ = VCE (cut-off) Untuk penguat kelas B maka:
I C ( sat ) = I CQ + =
VCEQ rC + rE
VCEQ rC + rE
10
Garis beban kelas B dan bentuk gelombangnya Operasi Balans (Push-Pull) Gambar berikut memperlihatkan gambaran kerja balans. Gambar a mrpk rangkaian ekivalen AC sebuah pengikut emiter. Selama perioda positif tegangan sumber, dioda emiter dicatu maju shg titik operasi berayun dr titik kerja Q ke penjenuhan (saturasi). Selama perioda negatif tegangan sumber, dioda emiter dicatu balik shg tdk ada arus mengalir. Akibatnya tegangan pd rE adl setengah gelombang.
Rangkaian ekivalen AC
11
Pada gambar b sebuah pengikut emiter dengan transistor pnp diperlihatkan rangkaian ekivalen AC-nya. Misalkan dioda emiter dicatu dekat titik cut-off. Selama perioda positif tegangan sumber, dioda emiter dicatu balik shg tdk ada arus kolektor mengalir. Selama perioda negatif tegangan sumber, dioda emiter dicatu maju shg titik operasi berayun dr titik kerja Q ke penjenuhan (saturasi). Krn arus mengalir mll rE, maka tegangan rE adl negatif thd ground, shg dgn dmk regangan rE hanya setengah gelombang saja (siklus negatif). Utk mendapatkan rangkaian balans, dua pengikut emiter spt yg dijelaskan di atas digabungkan menjadi spt diperlihatkan pd gambar c. Transistor atas (npn) menangani setengah siklus positif dr tegangan sumber dan transistor bawah (pnp) menangani setengah siklusnegatif dr tegangan sumber. Dengan cara ini tegangan output akan menjadi gelombang sinus penuh. Contoh Rangkaian ekivalen AC utk penguat CE balans kelas B diperlihatkan pd gambar berikut. Setiap transistor mpy tegangan VCEQ = 50 V. Berapakah arus penjenuhan (saturasi)?
Rangkaian untuk soal contoh
I C ( sat ) =
VCEQ rC + rE
=
50 = 0,1 A 500
12
Rumus-rumus Daya Kelas B Daya output maksimum Gambar berikut memperlihatkan garis beban AC ideal utk rangkaian kelas B. Pd penguat nyata, titik saturasi tdk benar-berna menyentuh sumbu vertikal dan titik Q berada sedikit di atas sumbu horisontal (krn pengaruh VCE(sat) dan ICQ).
Penurunan hubungan daya untuk Kelas B Daya output maksimum utk rangkaian kelas B adl:
Po(maks) = VRMS I RMS =
=
VCEQ I CQ 2
2
VCEQ I CQ 2
Efisiensi maksimum Penguat balans kelas B sangat efisien shg byk digunakan sbg penguat daya. Utk rangkaian spt gambar berikut, daya DC yg diberikan oleh catu kpd transistor adl: PDC = VCC IDC Dgn IDC adl arus ke transistor yg dirata-ratakan dlm satu siklus, yaitu:
I DC =
I C (sat )
π
Sehingga
13
PDC =
VCC I C (sat )
π
sedangkan
VCEQ =
VCC 2
Maka daya output AC maksimum utk penguat kelas B adl:
PO ( maks ) =
VCC I C ( sat ) 4
Dan efisiensi maksimum dpt dinyatakan:
η ( maks ) =
VCC I C ( sat ) / 4 VCC I C ( sat ) / π
=
π 4
= 0,785 = 78,5%
Disipasi Daya Disipasi daya maksimum pada penguat kelas B dinyatakan sbg:
PD ( maks ) =
VCEQ I C ( sat ) 10
=
PO ( maks ) 5
Contoh Jika sebuah penguat balans kelas B dpt memberikan 100 W daya output AC, berapakah disipasi daya maksimum setiap transistornya?
PD ( maks ) =
PO ( maks ) 5
=
100 = 20 W 5
Jadi disipasi daya maksimum setiap transistornya adl 20 W; atau sering dikatakan rating daya setiap transistornya adl 20 W yaitu daya paling tinggi utk mencegah kerusakan.
14
