Penguat Daya

Modul 9Penguat Daya dan Frequency Multiplier

9.1 Pendahuluan

Penguat sinyal berada pada tahap akhir satu amplifier, dimana parameter yang

menjadi perhatian kemudian adalah efisiensi penguat. Efisiensi merupakan hal yang

penting bila sinyal besar yang diperlukan. Efisiensi berhubungan erat dengan

bagaimana penguat tersebut diberikan prategangan (bias voltage). Dan juga bahwa

efisiensi tersebut dapat diperbaiki dengan menggeser titik kerja penguat dari tengah-

tengah garis beban.

Semua amplifier merupakan amplifier untuk power, bagaimanapun, operasi yang

dilakukan ditahap awal dari suatu system yang memproses sinyal dengan sinyal

kecil. Tahap awal ini di desain untuk memperikan nilai voltage gain yang baik. Jika

nilai voltage gain merupakan fungsi yang penting dalam amplifier ini, maka ini

disebut dengan penguat tegangan. Gambar 9.1 menunjukkan blok diagram dari

sebuah penguat audio sederhana. Mikropon menghasilkan suatu sinyal yang sangat

kecil, dalam range millivolt. Jadi kedua tahap penguat ini menguatkan sinyal audio

dan ini akan menjadi lebih besar. Tahap terakhir menghasilkan sinyal yang lebih

besar dan ini disebut dengan penguat daya.

Gambar 9.1 Blok Diagram Amplifier

Sebuah penguat daya didesain untuk memperoleh power gain yang baik. Ini harus

menangani tegangan aliran tegangan dan arus yang besar. Tegangan dan arus yang

tinggi ini menghasilkan power yang tinggi. Ini sangat penting untuk mempunyai

efesiensi yang tinggi pada penguat daya. Sebuah penguat daya yang efesien

menyalurkan daya sinyal yang paling besar untuk daya dc yang diambil dari power

Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar

Universitas Mercu Buana

‘12

1

supply dan bisa dilihat pada Gambar 9.2. Perlu di catat bahwa tugas dari penguat

daya adalah mengubah power dc menjadi daya sinyal. Efesiensinya dapat

ditunjukkan pada rumus di bawah ini.

% Efficiency = [ signal power output / dc power input ] x 100 …… (9.1)

Penguat daya pada gambar 9.2 menghasilkan output penguat sinyal. Power supply

menghasilkan 16 V dan penguat menghasilkan 1 A, Sehingga input power DC ke

amplifier adalah

P = Vx I = 16x l = 16W

Jadi, efesiensi dari amplifier adalah

% Efficiency = [ 8 watt / 16 watt ] x 100 = 50%

Gambar 9.2 Membandingkan sinyal output dengan inpout dc

Efesiensi merupakan hal yang sangat penting dalam sistem penguat besar. Seperti

contoh, diasumsikan bahwa 100 W penguat audio yang diperlukan dalam

menguatkan suatu musik. Juga diasumsikan bahwa penguatan daya hanya efisien

10%. Berapakah supplai daya yang diperlukan? Suplai daya harus bisa menyalurkan

100 W ke penguat. Sebuah suplai daya 1000 W adalah hal yang nilai besar, berat

dan mahal. Panas akan menjadi masalah lain dalam menguatkan musik ini. Dari

input daya 100 W, 900 W akan menjadi panas, sistem ini kemungkinan akan

membutuhkan suatu cooling fan.



‘12

2

9.2 Kelas Penguat

Penguat terdiri atas 4 antara lain penguat kelas A, B, AB dan C. Penguat kelas A

beroperasi pada titik tengah garis beban. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 9.3.

Titik operasinya adalah kelas A. Ini memberikan kemungkinan terbaik dari output

yang dihasilkan. Sinyal output merupakan tiruan yang bagus dari sinyal inputnya

dalam hal ini sinyal output yang dihasilkan sama dengan inputnya. Ini berarti

distorsinya menjadi low. Ini merupakan salah satu kelebihan dari penguat kelas A.

Gambar 9.3 Titik operasi penguat daya kelas A

Gambar 9.4 menunjukkan operasi penguat kelas lain yakni kelas B. Titik operasi cut

off pada garis beban. Ini dilakukan dengan menggunakan tegangan bias nol pada

junction base emitter pada transisitor. Diberi bias nol berarti hanya setengah sinyal

input yang dikuatkan. Hanya bahwa setengah sinyal yang yang dapat turn on pada

dioda base emitter akan menghasilkan sinyal output. Transistor menghasilkan

setengah siklus input. Penguat kelas B mempunyai sudut hantaran ( sudut bentuk

gelombang yang dibentuk output terhadap input), yakni 180o. Penguat kelas A

mengikuti semua bentuk sinyal dari input, dalam hal ini bersifat linier sehingga



‘12

3

dikatakan mempunyai sudut penghantar 360o.

Gambar 9.4 Titik operasi penguat kelas B

Penguat kelas B mempunyai masalah distorsi yang tidak ada pada penguat kelas A.

Dalam hal yang berhubungan distorsi, kelas B lebih berguna karena memberikan

efesiensi yang lebih baik. Penguat dengan dengan bias pada posisi cut off akan

menyimpan daya.

Kelas A akan membuat power, ini terjadi pada tingkat sinyal rendah. Titik operasi

penguat kelas A berada pada titik tengah pada garis beban. Ini berarti bahwa

setengah suplai tegangan akan di drop oleh transistor. Transistor akan bekerja pada

setengan arus saturasi. Tegangan ini akan drop dan arus menghasilkan sebiuh daya

yang hilang pada transistor. Daya yang loss ini akan konstan pada penguat kelas A.

Terdapat aliran power supplai meskipun tidak ada sinyal yang dikuatkan.

Penguat kelas B akan beroperasi pada titik cut off. Aris transistor pada posisi nol.

Arus nol berarti dayanya menjadi 1 watt. Tidak ada aliran pada power supply sampai

ada yang dikutkan. Amplitudo yang lebih besar dari sinyal, akan menghasilkan aliran

yanglebih besar pada supply. Amplifier kelas B mengeleminasi aliran dari power

supply dengan demikian akan menghasilkan efesiensi yang lebih besar.



‘12

4

Efesiensi yang lebih baik pada penguat kelas B sangat penting dalam aplikasi power

tinggi. Beberapa distorsi dapat dieleminasi dengan menggunakan dua transistor,

dimana pada setiap transistornya akan menguatkan setenagh sinyal. Rangkaian

mungkin akan lebih kompleks tetapi efesiensi diperbaiki merupakan suau hal yang

berharga.

Terdapat juga penguat kelas AB dan C. Penguat kelas C akan dibahas lebih detail

pada modul ini. Tabel 9.1 menunjukkan fitur yang penting dari penguat kelas A, B,

AB dan C. Untuk mendeskripsikan suatu penguat maka perlu melihat karakteristik

suatu amplifier seperti yang ditunjukkan oleh table 9.2 sehingga membantu dalam

mengklasifikan suatu penguat

Table 9-1 Perbandingan penguat kelas A, B dan C

Class A Class AB Class B Class C

Efficiency 50 % between

classes A and B

78.5 % 100 %

Conduction

angle

360O between

classes A and B

180O small (approx.

90O)

Distortion low moderate high extreme

Bias

(emitter-

base)

forward

(center of load

line)

forward

(near cutoff)

zero

(at cutoff)

reverse

(beyond cutoff)

Applications Practically all

small-signal

amplifiers. A few

moderate power

amplifiers in audio

applications.

High-power

stages in both

audio and radio-

frequency

applications.

High-power

stages

generally not

used in audio

applications

due to

distortion.

Generally limited

to radio-

frequency

applications.

Tun-ed circuits

remove much of

the ex-treme

distortion.



‘12

5

Table 9-2 Amplifier Characteristics

Explanations and Examples

Voltage

amplifiers

Voltage amplifiers are small-signal amplifiers. They can be

found in early stages in the signal system. They are often

designed for good voltage gain. An audio preamplifier would

be a good example of a voltage amplifier.

Power amplifiers The power amplifiers are large-signal amplifiers. They can be

found late in the signal system. They are designed to give

power gain and reasonable efficiency. The output stage of an

audio amplifier would be a good example of a power amplifier.

Configuration The configuration of an amplifier tells how the signal is fed to

and taken from the amplifying device. For bipolar transistors,

the configurations are common-emitter, common-collector,

and common-base. For field-effect transistors, the

configurations are common-source, common-drain, and

common-gate.

Coupling How the signal is transferred from stage to stage. Coupling

can be capacitive, direct, or transformer.

Applications Amplifiers mat be categorized according to their use. Example

are audio amplifiers, video amplifiers, RF amplifiers, dc

amplifiers, band-pass amplifiers, and wide-band amplifiers.

Classes This category refers to how the amplifying device is biased.

Amplifiers can be biased for class A, B, AB, or C operation.

Voltage amplifiers are usually biased for class A operation.

For improved efficiency, power amplifiers may use class B,

AB, or C operation.



‘12

6

9.3 Penguat Kelas C

Jika sudut penghantar dalam hal ini pergeseran fasa kurang dari 180o, operasi

penguat merupakan Penguat Kelas C. Jenis operasi ini mempunyai efesiensi yang

lebih baik dari penguat kelas B tetapi menghasilkan distorsi yang lebih besar dari

penguat kelas A dan B. Keadaan distorsi yang dialami kadang masih bisa ditoleransi

atau dalam keadaan frequency multiplier (pengali frekuensi) yang akan di bahas

pada bagian akhir modul ini. Penguat C digunakan dimana tidak ada variasi dalam

amplitude sinyal dan rangkaian output terdiri dari rangkaian tuned untuk mengfilter

semua harmonisasi dari arus output. Pada beberapa aplikasi seperti pada penguatan

sinyal FM, frekuensi sinyal yang penting dan bukan amplitude. Penguat kelas C

biasanya digunakan untuk aplikasi ini. Gambar 9.5 menunjukkan contoh rangakain

penguat kelas C dengan menggunakan transistor FET dan BJT. Dan gambar 9.6

menunjukkan arus drain (arus kolektor) dari penguat kelas C yang sudut

penghantarnya kurang dari 180o dan level drive (tingkat pergerakan) cukup kecil

dimana arus output tidak disaturasi.

Gambar 9.5 Penguat Kelas C dengan FET(a) dan BJT(b)



‘12

7

Gambar 9.6 Bentuk gelombang arus kolektor dari penguat daya kelas C

Beberapa model yang berbeda bisa diasumsikan untuk arusnya. Untuk

memudahkan diasumsikan bahwa sinyal digambarkan pada ujung dari dari

gelombang sinus seperti yang ditunjukkan pada gambar 9.6.

……………………..(9.2)

Sebaliknya

Dan ………………………………………………………………………(9.3)

Dengan demikian arus dc adalah

………………………………..(9.4)

Untuk kemudahan dalam notasinya, perlu ditentukan sudut penghantarnya sebagai



‘12

8

berikut

atau ……………………..(9.5)

Persamaan 9.2 dapat ditulis kembali menjadi

…………………………....(9.6)

Arus dc menentukan daya yang disuplai, jika arus dc pada base (atau gate) lebih

kecil dari arus output, maka :

……………..(9.7)

Jika output merupakan rangkaian narrowband yang disetel mejadi frekuensi

fundamental (dasar) dari sinyal arus, maka power output akan menjadi :

……………………………………….…..(9.8)

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

……………………………..(9.9)



‘12

9

Jika sudut penghantar tergantung pada amplitude dari input, amplitude arus

fundamental, dan dengan demikian tegangan output merupakan fungsi nonlinier dari

amplitude sinyal output.

Untuk penguat kelas C dengan FET ditunjukkan pada gambar 9.5 a, sehingga

tegangan drain ke sumber adalah

Dengan demikian daya output maksimum adalah

Dimana Ic merupakan nilai dc dari arus (persamaan 9.4). efesiensi sebagai fungsi

sudut hantar yang di tunjukkan pada gambar 9.7. Efesiensi Penguat kelas C dapat

dinaikkan hingga 100% (dalam amplifier yang ideal) dengan mengurangi sudut

hantar kea rah nol. Jika sudutnya θ adalah 90o, operasi menjadi penguat kelas B dan

efesiensinya menjadi 78o. Efesiensi meningkat secara monoton sebagai mana

penurunan sudut hantar. Factor efesiensi tinggi ini yang menyebabkan penguat kelas

C sering digunakan pada penguatan daya.

9.3 Desan Penguat Daya Kelas C

Untuk penguat daya kelas C, sebagaimana untuk semua penguat daya, parameter

desain yang perlu diperhatikan adalah daya output, disipasi daya transistor,

tegangan kolektor ke emitter( atau drain ke sumber), dan arus output maksimum dari

transistor Ip. Untuk transistor BJT ditunjukkan pada gambar 9.5b, dimana tegangan

colektor ke emitter maksimumnya adalah

Arus kolektor maksimumnya adalah dari persamaan 9.1



‘12

10

Dan jika θ = π/2 – θ1, maka

………………………….…..(9.10)

Arus puncak dihubungkan dengan amplitude (I1) dari komponen frekuensi

fundamental (persamaan 9.8) dengan :

…………….……….……..(9.11)

Daya output ac dari penguat diperkirakan :

…………………………………………..(9.12)

Yang disediakan oleh Q dari rangkaian tuned yang cukup tinggi. Arus puncak output

adalah sebuah fungsi arus kolektor dan daya output. Daya output maksimum terjadi

untuk nilai Ip yang maksimum . Oleh karena itu Daya output rata-rata(maksimum)

adalah ;

…………………………………..(9.13)

Jika untuk power output maksimum.

Disipasi daya (daya yang hilang) pada transistor adalah

)



‘12

11

…………………..(9.14)

Untuk nilai resistansi beban tertentu, persamaan 9.12 menentukan tegangan suplai

yang dibutuhkan untuk power output tertentu. Arus maksimum yang sesuai adalah

pada persamaan 9.10 dan 9.13, yakni

………………………………...(9.15)

Arus puncak kolektor yang dinormalisasi ditentukan dari

…………………………...(9.16)

merupakan fungsi sudut hantar yang ditunjukkan pada gambar 9.8. Untuk daya

ouput pada level yang tetap, nilai puncak dari arus kolektor meningkat jika sudut

hantar menurun.

Disipasi transistor untuk daya output dapat ditunjukkan sebagai sebuah fungsi daya

output dan sudut hantar (dari persamaan 9.14 dan 9.15):

……………………..(9.17)

Normalisasi disipasi transistor (PT/Po) digambarkan sebagai fungsi sudut hantar pada

gambar 9.9. Sebagaimana yang diharapkan, disipasi transistor akan meningkat

dengan kenaikan sudut hantar. Untuk PT yang maksimum, sudut hantar harus

dibatasi dengan nilai maksimum untuk daya outout tertentu. Nilai maksimum yang

tepat dari arus output transistor ditentukan dari gambar 9.9. Sebagaimana

penurunan sudut maka disipasi transistor akan menurun tetapi arus output puncak

semakin meningkat.



‘12

12

Contoh Soal :

Desain sebuah penguat kelas C untuk menyalurkan rata-rata output 5 W pada

sebuah beban 5Ω pada frekuensi 1 MHz dengan menggunakan transistor dengan

nilai disipasi powernya sekitar 0,5 W

Penyelesaian : akan dibahas di kelas

9.4 Pengali frekuensi

Jika sinyal dari arus kolektor pada penguat kelas C kaya akan harmonisasi bentuk

gelombang input(dikenal harmoni pertama, kedua dan selanjutnya) penguat kelas C

dapat digunakan sebagai pengali frekeuensi dengan menyetel/menyusun

rangkaian output sesuai dengan harmonisasi yang diinginkan. Amplitudo dengan

harmoni ke n dari arus output dapat ditentukan dari ekspansi fourier dari bentuk

gelombang arus. Arus kolektor dapat ditulis dengan menggunakan persamaan 9.2,

9.3 dan 9.4 sebagai berikut. :

Sehingga

, ’

……………………………………………….(9.18)

Amplitudo dari harmonic sebagai fungsi sudut hantar digambarkan pada gambar

9.10 (untuk n = 2, 3,dan 4).

Analisa operasi penguat kelas C diasumsikan bahwa arus sinyal dapat dimodelkan

sebagai sebagai ujung dari gelombang sinus. Pada beberapa aplikasi kelas C,



‘12

13

transistor akan mengalami saturasi selama siklus ouput. Efesiensi menurun jika

kenaikan saturasi, oleh karena itu operasi stabil dengan efesiensi maksimum dan

kemampuan/kapabilitas output diperoleh dengan mengarahkan penguat cukup

dengan menghasilkan saturasi pada transistor.



‘12

14

Penguat Daya

Documents

Transcript of Penguat Daya