ELEKTRONIKA ANALOG Pertemuan 14

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