PERTEMUAN VII PENGUAT DAYA KELAS A TERGANDENG LANGSUNG

PERTEMUAN VII PENGUAT DAYA KELAS A TERGANDENG LANGSUNG PENGUAT DAYA KELAS A TERGANDENG TRANSFORMATOR PENGUAT DORONG – TARIK KELAS B PENGUAT KELAS AB

PENGUAT DAYA • Penguat daya adalah penguat yang mampu memberikan ayunan tegangan dan arus keluaran (daya) yang besar ke beban dengan resistans rendah. Penguat daya ideal dapat memberikan 100% daya yang diambil dari catu daya. Dalam praktek ini tidak pernah terjadi karena komponen di dalam penguat melesap sebagian daya yang diambil dari catu daya. • Berdasarkan titik kerjanya penguat daya dapat diklasifikasikan sebagai penguat daya kelas A, kelas B, dan kelas AB. Sedangkan penguat secara umum diklasifikan sebagai penguat kelas A, kelas B, kelas AB, dan kelas C.

• Penguat kelas A adalah penguat dengan arus keluaran mengalir pada seluruh siklus (Gambar 8. a). Untuk penguat kelas B arus keluaran mengalir selama separuh siklus (Gambar 8. b). Penguat kelas AB merupakan kelas antara A dan B sehingga arus keluaran mengalir selama lebih dari setengah siklus dan kurang dari satu siklus (Gambar 8. c). Sedangkan penguat kelas C arus keluaran mengalir kurang dari satu siklus (Gambar 8. d).

Penguat Daya Kelas A Tergandeng Langsung • Untai penguat daya kelas A tergandeng langsung (direct coupled) terlihat pada Gambar 8. 2 sedangkan karakteristiknya terlihat pada Gambar 8. 3.

• Garis beban mempunyai lereng -1 / RL dan memotong sumbu vc di titik Vcc. Titik kerja Q penguat diperoleh dari perpotongan antara kurva arus basis yang dipilih (LB 2 ) dengan garis beban. Titik kerja Q dipilih agar ayunan sinyal dari titik kerja Q adalah maksimum. Pada grafik karakteristik digunakan notasi berikut : Ic : arus kolektor pada titik kerja Q, yang disebut arus lengang (quiescent current). ic : perubahan sesaat arus kolektor terhadap arus lengang Ic. ic : perubahan total arus kolektor.

• Bila karakteristik transfer (hubungan antara arus masukan dan arus keluaran) mempunyai kurva dinamis yang linier, maka sinyal masukan sinusoide akan menghasilkan sinyal keluaran (arus atau tegangan) juga sinusoide. Dalam hal ini tidak ada cacat nonlinear, dan daya keluaran P dapat dihitung secara grafis : P = Vc Ic = Ic² RL Dengan Vc : nilai rms tegangan kolektor Ic : nilai rms arus kolektor RL : resistan beban

• Bila Im (Vm) : ayunan arus (tegangan) puncak sinusoide, maka dari gambar 8. 2 : Ic = Imaks - Imin 2 2 2 Vc = Vmaks – Vmin 2 2 2 Maka daya P = Vm Im = Im² RL = Vm² 2 2 2 RL atau P= (Vmaks - Vmin ) (Imaks - Imin) 8

8. 1. 1 Cacat Harmonis Kedua • Bila watak alih mempunyai kurva dinamis yang tidak linear, maka tegangan keluaran akan berbeda dengan sinyal masukan. Cacat seperti ini disebut cacat amplitude atau cacat nonlinear. • Misal kurva dinamis terhadap titik kerja Q dapat dinyataka dengan prabola dan bukan garis lurus, maka: ic = G 1 ib + G 2 ib² (8. 6) Dengan ic : arus kolektor sesaat ib : arus baris sesaat G 1, G 2 : tetapan • Bila ragam gelombang masukan sinusoide: Ib = Ibm cos t (8. 7)

• Maka dengan subtitusi ke Pers. (8. 6) diperoleh: ic = G 1 Ibm cos t + G 2 Ibm² cos² t Karena cos² t = 1/2+ 1/2 cos t + B 2 cos 2 t dengan Bo, B 1 dan B 2 masing-masing amplitude komponen dc, komponen frekuensi fundamental, dan komponen harmonis kedua. Bo, B 1 dan B 2 dapat dihitung dari G 1 dan G 2. . Kesimpulan yang dapat diambil adalah bahwa cacat nonlinear parabolis menghasilkan: 1. Komponen fundamental yang berfrekuensi sama dengan sinyal masukan ( ). 2. Suku harmonis kedua frekuensi 2. 3. Komponen dc.

• Amplitudo Bo, B 1 dan B 2 untuk resistor beban tertentu dapat dicari dari watak dinamis atau statis. Dari Gambar 8. 2 terlihat bahwa: • Bila t = 0, ic = Imaks • t = / 2 ic = Ic • t = ic = Imin (8. 9) • Dengan subtitusi ke Pers. (8. 8) diperoleh: • Imaks = Ic + Bo + B 1 + B 2 • Ic = Ic + Bo - B • Imin = Ic + Bo – B + B 2 (8. 10) • Terlihat bahwa : • Bc = B 2 (8. 11) • B 1 = ½ (Imaks = Imin) (8. 12) • B 2=Bo=1/4 (Imaks + Imin-2 Ic) (8. 13) • Cacat harmonis kedua (D 2) didefinisikan sebagai rasio mutlak dari amplitude komponen harmonis kedua (B 2) terhadap amplitude komponen fundamental(B 1) : • D 2 = B 2 (8. 14) • B 1

8. 1. 2 Harmonis yang Lebih Tinggi • Bila ayunan sinyal masukan cukup besar, maka kurva alih dinamis terhadap titik Q dapat dinyatakan dengan deret: • Ic = G 1 Ib + G 2 ib +G 3 ib +G 4 ib +. . . . (8. l 5) • Bila sinyal masukan: ib = Ibm cos wt maka : • Ic = Ic + Bo + B 1 cos t + B 2 cos 2 t +B 3 b 1 cos t cos 3 t+. . . (8. l 6) • Secara grafis dapat dicari koefisien B 0, B 1, B 2, B 3 dan B 4 • Bila t = 0 , ic = Imaks • t = 3 , ic = I 1/2 • t = 2 , ic = Ic (8. l 7) • t = 2 3 , ic = I 4/2 • t = , ic = Imin

• Maka B 0 = 1/6 (Imaks +2 I ½ + 2 I 4/2 – Imin) – Ic • B 1 = 1/3(Imaks + I 1/2 –I 4/2 – Imin) • B 2 = 1/4(Imaks - 2 Ic + 2 I 4/2 – Imin) (8. 18) • B 3 = 1/6(Imaks - 2 I 1/2 + 2 I 4/2 – Imin) • B 4 = 1/12(Imaks - 4 I 1/2 + 6 Ic - 4 I 4/2 – Imin) • Cacat harmonis kedua (D 2), ketiga (D 3) dan keempat (D 4) didefinisikan sebagai berikut : • D 2 = B 2 D 3 = B 3 D 4 = B 4 (8. 18) • B 1 B 1

8. 1. 3 Daya Keluaran • Daya keluaran diberikan pada frekuensi fundamental adalah : • P 1 = B 1 RL (8. 20) • 2 • Daya keluaran total adalah : • P = (B 2 + B 3 + B. . . . . ) RL /2 • = (I + D 2 + D. . . . . ) P 1 (8. 21) • Atau • P = (1 + D ) P 1 • Dengan cacat total atau fariabel cacat adalah : • D = D 2 + D 3 + D. . (8. 22)

8. 1. 4 Efisiensi Penguat Daya Kelas A • Efisiensi ( ) penguat daya didefisinikan dengan : • = Daya sinyal yang diberikan ke beban x 100% • Daya dc dari penyedia daya • = ½ B 1 R 1 x 100 % • Vcc (Ic + Bo + IB) • Dengan : • Vcc : Tegangan catu daya • IB : Arus prasikap basis • = (Vcc – VBE) / RB • Bila komponen cacat dan arus prasikap basis diabaikan, • maka : • = ½ Vm Im x 100% = 50 Vm Im (8. 25) • Vcc. Ic (8. 23) (8. 24)

• Pada penguat daya kelas A terlihat bahwa : Beban menyerap daya dc meskipun tidak ada sinyal, maka efisiensinya kecil Sinyal maksimum terjadi pada saat : Im = Ic dan Vm = ½ Vcc Maka daya keluaran maksimum adalah : P = ½ Vm Im = ¼ Vcc Ic Dari peramaan (8. 25), efisiensi maksimum adalah : maks = Vcc. Ic x l 00 % = 25 % (8. 26) 4 Vcc. Ic

8. 2 Penguat Daya kelas A Tergandeng Transformator • Penguat daya kelas A tergandeng transformator (trafo) terlihat pada gambar 8. 4 a sedangkan karakteristik keluarannya terlihat pada Gambar 8. 4 b

• Beban yang terlihat pada bagian primer trafo adalah RL yang merupakan cerminan RL • RL’ = ( N 1)² RL (8. 27) • N 1 • Dengan N 1/N 2 : perbandingan lilitan primer dan sekunder trafo. • Sinyal keluaran maksimum terjadi pada saat • Im = Voc / RL’ dan Vm = Vcc (8. 28) • Daya ac keluaran maksimum adalah : • P maks = ½ Vm Im = Vcc²/ (2 RL’) (8. 29) • Daya dc dari catu daya adalah : • Pdc = Vcc (Vcc / RL’) = Vcc / RL (8. 30) • Maka efisiensi maksimum adalah : • maks = (Pmaks / Pdc) l 00 5 = 50 % (8. 31) • Terlihat bahwa efisiensi maksimum penguat daya tergandeng trafo dua kali lebih besar pada penguat daya tergandeng langsung.

• Contoh 8. 1: Suatu penguat daya kelas A tergandeng trafo terlihat pada Gambar 8. 3 berikut : Arus basis puncak ke puncak (ibpp) = 50 m. A. Tegangan catu daya (Vcc) = 200 V, =l 00 dan resisitans beban RL= 5000 Perbandingan lilitan trafo N 1/N 2 = 1/15. Hitunglah : a) Arus kolektor puncak ke puncak (Icpp) b) Daya yang diberikan ke beban c) Rugi daya pada resistans emitter Rc d) Daya yang diserap (disipasi) pada transistor Efisiensi

• Solusi : a) Arus kolektor puncak ke puncak adalah : Icpp = Ibpp = 100 x 50 m. A = 5000 m. A = 5 A b) Beban yang terlihat oleh penguat pada bagian primer trafo adalah : RL’ = (N 1/N 2)³ RL = (1/15) ² 5000 = 22, 222Ω c) Daya pada beban adalah : P = (icpp) ² RL = ( 5 ) ². 22, 22 = 69, 443 Watt 2 V² Rugi daya pada resistor emitter P = (icpp) ² RE = ( 5 ) ². 22 = 6, 25 Watt 2 V²

d) Daya yang diberikan catu daya adalah : Pdc = Vcc Ic Dengan Ic=Icpp/2=5/2 =2, 5 A, maka: Pdc=200 x 2, 5 = 500 watt e) Daya yang diserap transistor adalah : Pc = pdc-P-PRE = 500 -69, 4436, 25=424, 307 watt f) Efisiensi penguat daya : h = (P/Pdv)l 00% = (69, 443/ 500) l 00% = 13, 88%

8. 3 Penguat Dorong – Tarik Kelas B • Penguat dorong tarik (push-pull) kelas B terlihat pada gambar 8. 4 a

• Penguat terdiri atas dua transistor Q 1 dan Q 2 komplementer (yang satu pnp dan yang lain pn). Istilah dorong-tarik karena masing – masing transistor dalam penguat kelas B menghantar pada setengah siklus sinyal masukan secara bergantian. Selama setengah siklus positif sinyal masukan, Q 1 berprasikap on dan Q 2 berprasikap off, dan selama setengah siklus negatif berikutnya Q 1 transistor dalam keadaan lengang (quiscent state) dan berprasikap off. Karena hal tersebut maka efisiensi penguat menjadi tinggi. • Pemrasikapan diperoleh dengan untai pembagi tegangan R 1, R 2, R 3 dan R 4. Bila pemrasikapan tidak sesuai, maka penguat kelas B cenderung mengalami cacat persilangan (cross – over distortion). Cacat persilangan (Gambar 3. 4 b) ditunjukan dengan adanya garis dasar antara setengah siklus sinyal keluaran. Cacat ini disebabkan oleh adanya periode waktu pendek yang mana kedua transistor diberi prasikap pada level di atas cutt-off.

Karakteristik Kerja Penguat Dorong Tarik Kelas B • Garis beban dc penguat kelas B dorong – tarik adalah vertical (Gambar 8. 5) pada Vc. E = Vcc/2, karena tegangan antara kolektor dan emitter adalah tetap untuk arus kolektor sembarang. Garis beban ac mempunyai lereng -1 / RL dan memotong garis beban dc dititik Vc. E = Vcc/2 RL = VCEQ pada ic = 0. Titik potongnya dengan sumbu ic adalah pada ic=Vcc/2 RL. Daya kembang (complience) juga terlihat pada gambar 8, 5 yang mana setiap transistor dapat melakukan transisi penuh dari titik lengang VCEQ hingga mendekati 0 volt.

• 8. 3. 2 Efisiensi Penguat Daya Kelas B • Efisiensi penguat daya kelas B dihitung sebagai berikut : • Misalkan arus beban puncak adalah Im, maka tegangan beban puncak adalah : • Vm = Im RL (8. 32) • Daya keluaran adalah : • P = ½ Im Vm (8. 33) • Arus dc masing – masing transistor dengan adanya beban adalah : • Idc = Im / (8. 34) • Dari daya penyedia daya adalah : • Pdc = 2 Im Vcc / (8. 35)

• Faktor 2 pada Pers. (8. 35) karena menggunakan dua transistor. • Efisiensinya adalah : • = P x 100 % = Vm x 100 % (8. 36) • Pi 4 Vcc • Efisiensi maksimum tercapai bila Vm = Vcc, maka : • = 25 % = 78, 5% (8. 37)

• 8. 3. 3 Lesapan Daya • Daya terlesap (terdisipasi) Pc adalah daya masukan ke untai kolektor dikurangi daya kebeban : • Pc = Pdc – p • = 2 Im Vcc / - ½ Im Vm (8. 38) • Karena Im = Vm / RL , maka : • Pc = 2 Vm Vcc - Vm (8. 39) • RL 2 RL • Terlihat bahwa Pc=0 untuk Vm = 0 • Untuk Vm = 2 Vcc / maka daya terselap maksimum, yaitu : • Pc (maks) = 2 Vcc / ( RL) (8. 40)

• Daya beban maksimum (Pmaks) diperoleh bila Vm= Vcc, maka : • P masks = ½ Vcc / RL (8. 41) • Sehingga hubungan antara daya terselap maksimum dengan daya beban maksimum adalah : Pc (maks) = (4/ ) Pmaks = 0, 4 Pmaks (8. 42)

• 8. 3. 4 Cacat Pada Penguat Dorong Tarik Kelas B • Pada Penguat daya dorong – tarik kelas B (lihat Gambar 3. 4) bila waktu alih (hubungan antara arus kolektor dengan arus basis) tidak linear, maka arus kolektor Q 1 dan Q 2 adalah : • Icl = Ic + B 1 cos t + B 2 cos 2 t + B 3 cos 3 t. . • (8. 43) • ic 2( t) = icl ( t+ ) (bila Q 1 dan Q 2 sepadan) • = Ic + Bo + B 1 cos ( t + ) + B 2 cos 2( t + ). . • = Ic + Bo – B 1 cos t +B 2 cos 2 t - B 2 cos 3 t. . . • (8. 44) • Arus pada beban adalah : • i. L = ic. L – i c 2 • =2(B 1 cos t + B 3 cos 3 t +. . . . ) (8. 45)

• Dari persamaan (8. 45) terlihat bahwa penguat dorong-tarik menghilangkan harmonis genap. Sehingga sumber cact terutama disebabkan oleh suku harmonis ketiga (bila Q 1 dan Q 2 identik). Bila Q 1 dan Q 2 tidak identik maka akan timbul juga suku- suku harmonis genap.

• 8. 4 Penguat Kelas AB Penguat kelas B dengan prasikap pembagi tegangan mempunyai dua masalah: 1. Cacat persilangan dapat terjadi 2. Dapat timbul rentetan termal (thermal runaway) Untai prasikap yang sering digunakan untuk menghilangkan cacat persilangan dan rentetan termal adalah prasikap diode (Gambar 8. 6). Untai prasikap ini menggunakan dua diode D 1 dan D 2 untuk menggantikan resistor R 2 dan R 3, antara basis kedua transistor. Kedua diode tersebut merupakan diode kompensasi untuk menyepadani karakteristik nilai VBE kedua transistor. Karena kedua diode tersebut menghantarkan arus, maka penurunan tegangan pada kedua diode adalah = 2 x VF = 2 x 0, 7 V = 1, 4 Volt dengan VF : tegangan maju diode (untuk diode Silikon VF = 0, 7 Volt).

Karena kedua diode tersebut menghantarkan arus, maka penurunan tegangan pada kedua diode adalah = 2 x VF = 2 x 0, 7 V = 1, 4 Volt dengan VF : tegangan maju diode (untuk diode Silikon VF = 0, 7 Volt). Penurunan tegangan antara basisi transistor Q 1 dan Q 2 adalah sama dengan penurunan tegangan pada kedua diode D 1 dan D 2 : VBE 1 + VEB 2 = 1, 4 Volt Bila kedua transistor sepadan maka: VBE 1 + = - VBE 2 = 0, 7 Volt Sehingga kedua transistor menghantar meskipun sinyal masukan 0 Volt.

• Bila terdapat sinyal masukan sinusoide, maka arus transistor dan arus beban terlihat pada Gambar 8. 7

Terlihat bahwa setiap transistor menghantar lebih dari setengah siklus sinyal masukan, sehingga penguat diklasifikasikan sebagai penguat kelas AB. Analisis tegangan prasikap pada penguat kelas AB (Gambar 8. 6) adalah sebagai berikut. Tegangan pada resistor R 1 dan R 2 adalah : VR 1 + VR 2 = Vcc – 1, 4 Volt (8. 46) Tegangan pada basis Q 2 adalah : VB 2 = R 2 (Vcc – 1, 4 Volt) (8. 47) R 1 + R 2 Tegangan pada basisi Q 1 adalah: VB 1 = VB 2 + 1, 4 Volt (8. 48) Bila R 1 = R 2, maka dari Pers. (8. 47) diperoleh: VB 2 = Vcc /2 – 0, 7 Volt (8. 49) dan VB 1 = VCEQ + 0, 7 Volt (8. 50)

Terlihat bahwa transistor Q 1 dan Q 2 akan mendapat prasikap dengan benar dan tidak tergantung nilai resistor, bila R 1 = R 2 Penguat kelas AB lebih banyak digunakan dari kelas B. Kecuali untai pemrasikapannya, penguat kelas B dan kelas AB adalah identik, dan umumnya keduanya disebut penguat kelas B.

Contoh 8. 2 Untuk berikut (Gambar 8. 8) adalah penguat daya kelas B. Transistor Q 2 dan Q 3 adalah sepadan dengan hfe = 150. Transistor Q 1 mempunyai hfe = 50 a) Hitunglah arus lengang di semua resistor dan tentukan nilai R 3 sehingga VCE 3 = VCE 2 b) Hitung daya maksimum yang dapat diberikan kebeban speaker 4. bila resistans keluaran penguat daya diabaikan.

Solusi a) Bila transistor Q 2 dan Q 3 sepadan maka tegangan titik lengang pada emitter Q 2 dan Q 3 adalah: VCEQ = Vcc/2= 6/2= 3 Volt Tegangan pada basis transistor Q 1, Q 2 dan Q 3 adalah: VB 1 = 0, 7 Volt VB 2 = VCEQ 0, 7 = 3 + 0, 7 = 3, 7 Volt VB 3 = VCEQ 0, 7 = 3 – 0, 7 = 2, 3 Volt Arus pada resistor R 1, R 2 dan R 4 adalah : 11 = (VB 2 – VB 1) / R 1 = (3, 7 – 0, 7) / 120000 = 250. 10 -6 A=250 A 12 = VB 1 / R 2 = 0, 7 / 8200 = 85, 365. 10 -6 A = 85, 356 A 14 = (VB 2 – VB 3) / R 4 = (3, 7 – 2, 3) / 220 = 0, 006. 10 -3 A = 6 m. A

Arus basis dan kolektor dari Q 1 adalah : IB 1 = 11 – 12 250 – 85, 365 = 164, 635 A IC 1 = IB 1 = 50 x 164, 635 = 8231 A = 8, 231 m. A Arus basis Q 3 dan Q 2 : IB 3 = IC 1 – I 1 = 8, 231 – 6 = 2, 231 m. A IB 2 = IB 3 = 2, 231 m. A (karena Q 2 dan Q 3 sepadan) Arus pada resistor R 3 adalah : I 3 = 11 + 14 + IB 2 = 0, 250 + 6 – 2, 231 : 8, 481 m. A Resistor R 3 dapat ditentukan dengan: R 3 = (Vcc – VB 2) / 13 = (6 – 3, 7) / 8, 481 = 0, 271 K = 271

b) Arus beban puncak adalah : Ip = ½ Vcc / (Ro + RL) dengan R 0: resistans keluaran penguat daya. Bila resistans keluaran penguat daya diabaikan, maka arus beban puncak: Ip ½ Vcc/RL = 3/4 = 0, 75 A Daya beban maksimum adalah : Pmaks = ½ Ip 2 RL = ½ x 0, 752 x 4 = 1, 125 Watt

Latihan Gambarkan untai penguat daya dorong –tarik kelas B dalam konfigurasi kolektor bersama a) Dengan trafo keluaran b) Tanpa trafo keluaran Jawab : a) b)