Penguat Signal Besar

 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.

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 :

A.    Penguat Kelas B

Panas yang berlebih menjadi masalah tersendiri pada penguat kelas A. Maka dibuatlah penguat kelas B dengan titik Q yang digeser ke titik B (pada gambar-5). Titik B adalah satu titik pada garis beban dimana titik ini berpotongan dengan garis arus Ib = 0. Karena letak titik yang demikian, maka transistor hanya bekerja aktif pada satu bagian phase gelombang saja. Oleh sebab itu penguat kelas B selalu dibuat dengan 2 buah transistor Q1 (NPN) dan Q2 (PNP).

Gambar 1.1 Titik Kerja (Q) pada Penguat Kelas A, AB, dan B

 

Gambar 1.2 Rangkaian Dasar Penguat Kelas

Karena kedua transistor ini bekerja bergantian, maka penguat kelas B sering dinamakan sebagai penguat Push-Pull. Rangkaian dasar PA kelas B adalah seperti pada gambar-6. Jika sinyalnya berupa gelombang sinus, maka transistor Q1 aktif pada 50 % siklus pertama (phase positif 0o-180o) dan selanjutnya giliran transistor Q2 aktif pada siklus 50 % berikutnya (phase negatif 180o – 360o). Penguat kelas B lebih efisien dibanding dengan kelas A, sebab jika tidak ada sinyal input ( vin = 0 volt) maka arus bias Ib juga = 0 dan praktis membuat kedua trasistor dalam keadaan OFF.

Gambar 1.3 Blok Dasar Penguat B Push Pull

Gambar 1.4 Rangkaian Penguat Push-Pull Kelas B dengan Trafo Input dan output

Karena adanya tegangan jepit Vbe kira-kira sebesar 0.7 volt yang menyebabkan transistor masih dalam keadaan OFF walaupun arus Ib telah lebih besar beberapa mA dari 0. Ini yang menyebabkan masalah cross-over pada saat transisi dari transistor Q1 menjadi transistor Q2 yang bergantian menjadi aktif. Gambar-7 menunjukkan masalah cross-over ini yang penyebabnya adalah adanya dead zone transistor Q1 dan Q2 pada saat transisi.

Gambar 1.5 Garis Beban  Penguat B Push Pull

Prinsip kerja rangkain ini dapat kita lihat berdasarkan gambar 1.5 Garis Beban AC dan DC .

 

Gambar 1.6 Bentuk Gelombang Arus pada Penguat Push-Pull

Dari bentuk gelombang pada gambar 1.7 dapat kita ketahui bahwa transistor T1 dan T2 bekerja secara bergantian. Pada saat sinyal input berpolaritas positif, maka T2 aktif karena basis emitor T2 mendapat bias maju sedangkan T1 menjadi mati karena basis-emitor T1 tidak mendapat bias maju. Sebaliknya pada saat sinyal input berpolaritas negatif , maka T1 aktif karena basis emitor T1 mendapat  bias maju sedangkan T2 menjadi mati karena basis-emitor T2 tidak mendapat bias maju.

Trafo input pada rangkaian tersebut berfungsi sebagai pembelah fasa. Terminal skunder pada ujung atas ( yang terhubung ke T2) selalu berlawanan fasa dengan termilnal pada ujung bawah ( yang terhubung ke T1). Sedangkan fungsi utama trafo output adalah sebagai penyeuaian impedansi transistor yang tinggike impedansi beban yang pada umumnya rendah.

Perhitungan daya pada penguat push-pull kelas B aalah sebagai berikut. Daya rata rata pada beban RL yang disebabkan oleh adanya sinyal AC, adalah sebagai berikut :

Untuk

vs > 0 : Q1 konduksi

Q2 cut-off

IC1 mengalir dari VCC1 - Q1 - RL - VCC1

Vo < 0

vs <0 : Q1 cut-off

Q2 konduksi  

iC2 mengalir dari VCC2 – RL - Q2 - VCC2

Vo > 0

Arus yang mengalir di beban iL = iC2 - iC1. Jika nilai puncak vce1 sebesar Vp , maka arus ic1 sebesar :

Kedua transistor sepasang (parameternya matched ) , daya output :

(untuk sinyal sinus)

Jika VCC1 = VCC2 = VCC = Vp, dan transistor ideal , maka :

Daya yang ditarik oleh masing-masing sumber DC adalah seri dari setengah bagian gelombang sinus, akibatnya arus rata-rata yang disupply adalah :

Sehingga :

Effisiensinya penguat itu dapat dicari dengan cara:

dan effisiensi maks jika Vp = VCC atau η (max) = π/4 = 78 %

1.      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 :

Maka

Sehingga diperoleh

Dari

diperoleh daya disipasi maksimum adalah PD(max) = 0,4 Po(max) (ini untuk kedua transistor). Sehingga untuk masing-masing transistor adalah PD(max) = 0,2 Po(max).

2.      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 :

i₁ = I_C + B_o + B₁ cos ωt + B₂ cos 2ωt + B₃ cos 3ωt + . . .

i₂ = I_C + B_o + B₁ cos (ωt+π) + B₂ cos (2ωt+π) + B₃ cos (3ωt+π)+ . . .

atau i₂ = I_C + B_o - B₁ cos ωt + B₂ cos 2ωt - B₃ cos 3ωt + . . .

Sehingga i_L = i₁ - i₂ = 2 (B₁ cos ωt + B₃ cos 3ωt + . . .)

Hal ini menunjukkan bahwa ada tersisa gelombang harmonic 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

Gambar 1.7 Kurva Penguat Kelas B

B.     Penguat Kelas AB

Cara lain untuk mengatasi cross-over adalah dengan menggeser sedikit titik Q pada garis beban dari titik B ke titik AB (gambar 1.1). Ini tujuannya tidak lain adalah agar pada saat transisi sinyal dari phase positif ke phase negatif dan sebaliknya, terjadi overlap diantara transistor Q₁ dan Q₂. Pada saat itu, transistor Q₁ masih aktif sementara transistor Q₂ mulai aktif dan demikian juga pada phase sebaliknya. Penguat kelas AB merupakan kompromi antara efesiensi (sekitar 50% - 75%) dengan mempertahankan fidelitas sinyal keluaran. 

Gambar 2.1 Overlaping sinyal keluaran penguat kelas AB

Ada beberapa teknik yang sering dipakai untuk menggeser titik Q sedikit di atas daerah cut-off. Salah satu contohnya adalah seperti gambar 2.2 berikut ini. Resistor R₂ di sini berfungsi untuk memberi tegangan jepit antara base transistor Q₁ dan Q₂. Pembaca dapat menentukan berapa nilai R₂ ini untuk memberikan arus bias tertentu bagi kedua transistor. Tegangan jepit pada R₂ dihitung dari pembagi tegangan R₁, R₂ dan R₃ dengan rumus VR₂ = (2VCC) R₂/(R₁+R₂+R₃). Lalu tentukan arus base dan lihat relasinya dengan arus Ic dan Ie sehingga dapat dihitung relasinya dengan tegangan jepit R₂ dari rumus V_R2 = 2x0.7 + I_e(R_e1 + R_e2). Penguat kelas AB ternyata punya masalah dengan teknik ini, sebab akan terjadi peng-gemukan sinyal pada kedua transistornya aktif ketika saat transisi. Masalah ini disebut dengan gumming.

 

Gambar 2.2 Rangkaian dasar penguat kelas AB

Untuk menghindari masalah gumming ini dibuatlah teknik yang hanya mengaktifkan salah satu transistor saja pada saat transisi. Caranya adalah dengan membuat salah satu transistornya bekerja pada kelas AB dan satu lainnya bekerja pada kelas B. Teknik ini bisa dengan memberi bias konstan pada salah satu transistornya yang bekerja pada kelas AB (biasanya selalu yang PNP). Caranya dengan menganjal base transistor tersebut menggunakan deretan dioda atau susunan satu transistor aktif. Maka kadang penguat seperti ini disebut juga dengan penguat kelas AB plus B atau bisa saja diklaim sebagai kelas AB saja atau kelas B karena dasarnya adalah PA kelas B. Penyebutan ini tergantung dari bagaimana produk amplifier anda mau diiklankan. Karena penguat kelas AB terlanjur memiliki konotasi lebih baik dari kelas A dan B. Namun yang penting adalah dengan teknik-teknik ini tujuan untuk mendapatkan efisiensi dan fidelitas yang lebih baik dapat terpenuhi.

karakter non linear dari transistor, maka ada distorsi harmonic yaitu distorsi crossover. Distorsi ini dapat dieliminasi dengan 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 2.3 Kerugianya dalam hal effisiensi, karena ada daya stand-by tsb.

Gambar 2.3 Penguat Kelas AB

Transistor Q₁ akan dibias untuk operasi kelas A. Hambatan R₁ sebagai beban kolektor dengan kondisi quiescent (vs = 0): I_LQ = 0 dan V_ENQ = 20 V. Arus yang mengalir melalui dioda D₁ dan D₂ akan menghasilkan beda potensial sebesar :

Pada kondisi quiescent arus yang mengalir di kolektor adalah I_C1Q. 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 V_D1 + V_D2 berkurang tegangannya selanjutnya akan 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 :

. Untuk kondisi ini iB2 maksimum dan akan mengalir ke R₁. Jika diambil    V_R1 = 2 volt, maka V_B2N = 40 V - 2 V = 38 V. jika dipilih           

V_B2E = 1 V, maka V_EN = V_B2N - V_B2E = 37 V

Sehingga,

 i_{C2 (max)} = (37-20)V / 100Ω = 1,70 mA dan i_B2(max = 1,7 mA jika hfe = 100.

Pada saat,

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

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.

Untuk memperoleh efisiensi kita dapat menggunakan persamaan berikut :

-          Persamaan tegangan yang mengalir dari kolektor ke basis/tegangan kerja :

-          Persamaan Ic saat saturasi :

-          Persamaan daya  disispasi maksimun:

-          Persamaan sinyal daya yang diberikan pada beban :

-          Persamaan arus yang mengalir pada kolektor saat transistor bekerja :

-          Persamaan untuk daya DC yang diberikan pada rangkaian :

-          Persaman untuk efisiensi 

C.    Penguat Kelas C

Penguat kelas B perlu 2 transistor untuk bekerja dengan baik, maka ada penguat yang disebut kelas C yang hanya perlu 1 transistor. Ada beberapa aplikasi yang memang hanya memerlukan 1 phase positif saja. Contohnya adalah pendeteksi dan penguat frekuensi pilot, rangkaian penguat tuner RF dan sebagainya. Transistor penguat kelas C bekerja aktif hanya pada phase positif saja, bahkan jika perlu cukup sempit hanya pada puncak-puncaknya saja dikuatkan. Sisa sinyalnya bisa direplika oleh rangkaian resonansi L dan C. Tipikal dari rangkaian penguat kelas C adalah seperti pada rangkaian gambar 3.1.

Gambar 3.1 Rangkaian dasar penguat kelas C

Rangkaian ini juga tidak perlu dibuatkan bias, karena transistor memang sengaja dibuat bekerja pada daerah saturasi. Rangkaian L C pada rangkaian tersebut akan ber-resonansi dan ikut berperan penting dalam me-replika kembali sinyal input menjadi sinyal output dengan frekuensi yang sama. Rangkaian ini jika diberi umpanbalik dapat menjadi rangkaian osilator RF yang sering digunakan pada pemancar. Penguat kelas C memiliki efisiensi yang tinggi bahkan sampai 100%, namun tingkat fidelitasnya memang lebih rendah. Tetapi sebenarnya fidelitas yang tinggi bukan menjadi tujuan dari penguat jenis ini.

Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180^o pada setiap siklusnya tidak sinusoida, ada rangkaian tangki resonansi, LC seperti ditunjukkan pada gambar 3.2.

Gambar 3.2 Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinya

Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar:

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 3.3.

Gambar 3.3 Rangkaian DC ekivalen dan garis beban DC dan AC

Transistor tsb tidak ada pem-bias-an

-          VBE = 0 - IC = 0 untuk sinyal input < 0,7 V

-          titik Q akan cuttoff pada garis beban

-          RS : hambatan kolektor DC (resistansi induktor RF)  garis beban relatif vertikal karena RS kecil.

Rangkaian ekivalen AC 􀃆 penguat CE ditunjukkan pada gambar 3.4 .

 

Gambar 3.4 Rangkaian ekivalen AC

Pada penguat CE berlaku:

Dan

Pada penguat kelas C, ICQ = 0 dan VCEQ = VCC, sehingga:

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

Arus dc adalah

 

Untuk kemudahan dalam notasinya, perlu ditentukan sudut penghantarnya sebagai berikut

atau

Arus dc menentukan daya yang disuplai, jika arus dc pada base (atau gate) lebih kecil dari arus output, maka :

Jika output merupakan rangkaian narrowband yang  disetel mejadi frekuensi fundamental (dasar) dari sinyal arus, maka power output akan menjadi :

Dimana I₁ merupakan amplitude dari komponen arus fundamental

Di sini asal dari waktu (t) telah bergeser ke pusat dari sinyal arus untuk kemudahan dari interasi. Pergeseran waktu tidak akan mengubah amplitude dari komponen frekuensi, hanya phasanya yang diubah. Sehingga amplitude dari komponen frekuesinya adalah

Jika sudut penghantar tergantung pada amplitude dari input, amplitude arus fundamental, dan dengan demikian tegangan output merupakan fungsi nonlinier dari amplitude sinyal output.

Dengan demikian efisiensi daya output maksimum adalah

 

Gambar 3.5 Sinyal Input dan Output Penguat Kelas C

Daftar Pustaka

1.      14Ampdaya.pdf

2.      bahan ajar ELEKTRONIKA ANALOG.pdf

3.      penguat Transistor 5.pdf

4.      Modul_Elektonika_Analog.doc

5.      Penguat Transistor _ Abi Sabrina.htm

6.      Klasifikasi Kelas Penguat Berdasarkan DC Bias Transistor - Elka Asik.htm

7.      Garis Beban (Load Line) Penguat Transistor - Elka Asik.htm

8.      Menghitung Konsumsi Daya Penguat Kelas B_AB.htm

9.      TEKNIK AUDIO VIDEO ELEKTRONIKA SMK NEGERI 5 BANJARMASIN _ SMKN5 2013  Penguat Balans (Push Pull) Kelas B.htm