Tugas Individu Sarah

26
PENGUAT DAYA (Tugas Individu Elektronika Dasar I) Oleh : Sarah Mardiyah 0813022047

Transcript of Tugas Individu Sarah

Page 1: Tugas Individu Sarah

PENGUAT DAYA

(Tugas Individu Elektronika Dasar I)

Oleh :

Sarah Mardiyah 0813022047

PENDIDIKAN FISIKA

PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS LAMPUNG

MEI 2010

Page 2: Tugas Individu Sarah

PENGUAT DAYA

Pendahuluan

Istilah penguatan pada dasarnya berarti membuat menjadi lebih kuat. Dalam bidang

elektronika maka yang diperkuat adalah amplitudo dari sinyal. Untuk mengerti

bagaimana penguat bekerja perlu dimengerti dua tipe penguatan yang utama yaitu :

  1. Penguat tegangan yaitu penguat yang menguatkan tegangan dari sinyal masukan.

  2. Penguat arus yaitu penguat yang menguatkan arus dari sinyal masukan.

Sedangkan penguat daya yaitu kombinasi dari dua tipe penguat di atas. Meskipun pada

kenyataannya semua penguat adalah penguat daya karena tegangan tidak akan ada tanpa

adanya daya kecuali jika impedansinya tak terhingga.

Efisiensi dari penguat daya didefinisikan sebagai perbandingan dari daya yang diterima

beban dengan daya yang diberikan oleh catu 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

Page 3: Tugas Individu Sarah

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 :

Macam macam Penguat Daya

Penguat daya diklasifikasikan menurut titik kerjanya. Titik kerja (titik Q) yaitu titik pada

garis beban yang menggambarkan keadaan transistor saat tidak ada sinyal masukan.

Menurut titik kerjanya penguat diklasifikasikan menjadi penguat klas A, B, AB, C ,D dan

masih banyak lagi.

Penguat klas A

  Penguat dengan letak titik Q di tengah-tengah garis beban.

Page 4: Tugas Individu Sarah

  Mempunyai sinyal keluaran yang paling bagus diantara penguat jenis yang

lain.

              

Mempunyai sinyal keluaran yang paling bagus diantara penguat jenis yang

lain.

Efisiensinya paling rendah, karena banyaknya daya yang terbuang di

transistor.

Disipasi daya tertinggi terjadi saat tidak ada sinyal masukan. Besarnya disipasi

daya pada transistor dirumuskan :

Daya keluaran maksimum dapat dicari dari persamaan :

sehingga

Page 5: Tugas Individu Sarah

Asumsi untuk pembiasan ideal, aitu VCE = ½ VCC dan VCE ini sebagai level

DCnya, dengan arus DC yang mengalir/diserap pada RL adalah:

ICCave = 1/2IC

Dan daya yag diberikan adalah

sehingga efisiensi dari penguat kelas A adalah

Kerugian: tidak seluruh arus yang mengalir di kolektor menghasilkan sinyal daya

ac.

Daya yang didisipasikan adalah PD = PS – PO - Pdc

Dengan

Disipasi maksimum terjadi jika tidak ada output yang dihasilkan atau PO = 0,

sehingga:

Penguat klas B (Push-Pull)

  Penguat dengan letak titik Q di titik cut off garis beban. Kelemahannya yaitu

adanya cacat penyeberangan (crossover distortion) yang terjadi karena adanya

tegangan bias pada dioda basis emitor. Sehingga saat sinyal masukan belum

bernilai sebesar tegangan on dari dioda basis emitor maka tidak akan ada sinyal

keluaran. Karena letak titik Q penguat kelas B di titik cut-off maka untuk satu

transistor hanya bisa menguatkan setengah siklus dari sinyal masukan. Sehingga

untuk penguat kelas B digunakan konfigurasi Push-pull dimana dua transistor

akan bergantian bekerja menguatkan masing-masing setengah siklus sinyal

Page 6: Tugas Individu Sarah

masukan.

Penguat kelas B ini memanfaatkan teknik push-pull, → dua transistor yang

bekerja saling komplementer. Kedua transistor tsb berbeda tipe namun

karakteristiknya sama atau matched

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 :

Page 7: Tugas Individu Sarah

Gambar bentuk sinyal

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:

Page 8: Tugas Individu Sarah

Dan effisiensi maksimal jika VP = VCC atau (max) = π/4 = 78%

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:

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 berikut.

Page 9: Tugas Individu Sarah

Penguat tegangan digunakan untuk menguatkan tegangan input. Gain

tegangan adalah perbandingan tegangan output dengan tegangan input.

Dimana besarnya gain dapat kita tentukan. Tahukah aplikasi penguat

tegangan ini ?? Sudah pada tahu ya . . . Penguat tegangan dapat digunakan

sebelum filter dan penguat daya antara sinyal input dan speaker. Ingat lagi

materi teknik telekomunikasi dimana penguat tegangan direpresentasikan

sebagai repeater dalam proses transmisi data. Hal pertama yang harus

dilakukan sebelum merancang penguat tegangan adalah menentukan gain

yang diinginkan karena gain tegangan merupakan tujuan utama dari penguat

tegangan. Btw, penguat tegangan merupakan penguat kelas A. Kemudian

menentukan rangkaian dasar yang digunakan beserta transistornya. Pada

penguat tegangan, arus keluaran ( kolektor ) tidak begitu diperlukan sehingga

arus kolektor diusahakan sekecil mungkin. Sekalian untuk menghemat energi

yang dikonsumsi. Tidak begitu ada syarat khusus pada transistor penguat

tegangan, dimana arus kolektor diatur sebesar 1% dari arus kolektor

maksimum. Beta transistor yang tidak begitu berpengaruh pada kualitas

penguat ( apalagi menggunakan rangkaian voltage divider yang relatif stabil

terhadap perubahan beta ). Nilai-nilai komponen lain dapat dicari dengan

rumus yang telah ada.

Bagaimana dengan penguat daya ? Penguat daya bertujuan untuk

meningkatkan daya sinyal output. Pada mata kuliah elektronika analog ini,

diterapkan sebagai penguat daya pada speaker. Pada penguat daya ini,

Page 10: Tugas Individu Sarah

tegangan output diatur sama dengan tegangan input dc. Sedangkan nilai

arusnya yang diubah-ubah. Apakah ada yang tahu mengapa pada penguat

daya ini, tegangan diatur tetap sedangkan arusnya diubah-ubah. Menurut

saya pengubahan arus output lebih mudah daripada pengubahan tegangan

output. Dan rentang tegangan yang bisa diaplikasikan jauh lebih kecil

daripada rentang arus. Oleh karena itu bisa jadi, arus yang diperlukan sangat

besar sehingga dalam memilih transistor harus disesuaikan dengan kebutuhan

arus. Apabila arus yang dibutuhkan sangat besar sekali, maka dapat dipakai

rangkaian transistor darlington. Ketika saya membeli transistor yang

memiliki arus kolektor maksimum besar ( sekitar 1,5 A ) ternyata bentuk

transistornya berbeda dari yang selama ini saya beli. Pada bagian tengahnya

berlubang yang digunakan untuk heat sink. Heat sink digunakan agar

komponen tidak cepat panas. Dengan pemasangan heat sink maka

memperluas permukaan transistor sehingga panas semakin cepat terbuang ke

udara. Harganya relatif sama dengan transistor daya kecil. Btw, sebenarnya

penguat daya merupakan penguat kelas B. Penguat kelas B sangat efisien

dikarenakan transistor hanya akan aktif apabila ada sinyal input. Rangkaian

penguat kelas B terdiri dari 2 transistor yang identik dimana setiap transistor

menghantar secara bergantian pada setiap setengah siklus. Tetapi ada

kekurangannya juga, bagian basis emitor seperti sebuah dioda yang akan

aktif ketika telah mencapai forward bias voltage. Sehingga waktu pergantian

on off tidaklah sama. Menimbulkan peristiwa distorsi cross over. Bentuk

sinyal output akibat distorsi cross over tidak diharapkan sehingga perlu

adanya usaha untuk mengatasinya. Solusinya adalah mengatur agar transistor

aktif terus menerus sehingga perlu adanya arus basis (sangat kecil ) walaupun

saat itu transistor sedang tidak menghantar yang dinamakan sebagai

rangkaian penguat kelas AB.

Penguat klas AB

  Merupakan perbaikan dari penguat klas B. Cacat penyeberangan bisa

Page 11: Tugas Individu Sarah

dihilangkan dengan menambahkan prategangan pada dioda basis emitor. Dengan

demikian transistor output sudah aktif saat belum ada sinyal masukan. Tentu saja

titik kerja penguat menjadi berubah karena transistor tidak lagi berada pada

keadaan cut off. Karena itulah disebut penguat klas AB. Penguat audio yang

banyak ada di pasaran pada umumnya adalah penguat klas AB. Untuk memberi

prategangan pada basis emitor tidak harus dengan dioda bisa juga dengan

resistor atau transistor asalkan bisa memberi tegangan untuk mengaktifkan dioda

di basis emitor.

Gambar penguat klas AB

Transistor Q1 akan dibias untuk operasi kelas A. Hambatan R1 sebagai

beban kolektor dengan kondisi quiescent (vs = 0): ILQ = 0 dan VENQ = 20

V.

Arus yang mengalir melalui dioda D1 dan D2 akan menghasilkan beda

potensial sebesar :

VD1 + VD2 = VB2E + VEB2

Pada kondisi quiescent arus yang mengalir di kolektor adalah IC1Q.

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 VD1 +

VD2 berkurang tegangannya selanjutnya akan negatif termal. Untuk

membuat tingkat driver transistor Q1 dari rancangan kelas AB di atas

Page 12: Tugas Individu Sarah

dilakukan sbb:

Pada saat vs mencapai tegangan maksimum negatif, transistor Q1 mendekati

cut-off sehingga vEN = vB2N ≈ 40 V. Untuk kondisi ini iB2 maksimum dan

akan mengalir ke R1.

Merupakan perbaikan dari penguat klas B. Cacat penyeberangan bisa

dihilangkan dengan menambahkan prategangan pada dioda basis emitor.

Dengan demikian transistor output sudah aktif saat belum ada sinyal

masukan. Tentu saja titik kerja penguat menjadi berubah karena transistor

tidak lagi berada pada keadaan cut off. Karena itulah disebut penguat klas

AB. Penguat audio yang banyak ada di pasaran pada umumnya adalah

penguat klas AB. Untuk memberi prategangan pada basis emitor tidak harus

dengan dioda bisa juga dengan resistor atau transistor asalkan bisa memberi

tegangan untuk mengaktifkan dioda di basis emitor.

Penguat Kelas-C

Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180o pada setiap

siklusnya → tidak sinusoida, ada rangkaian tangki resonansi, LC seperti

ditunjukkan pada gambar berikut.

Page 13: Tugas Individu Sarah

Gambar penguat kelas C tertala dan tanggapan frkuensinya

Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar:

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 berikut.

Page 14: Tugas Individu Sarah

Gambar rangkaian DC ekuivalen 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 berikut.

Gambar rangkaian ekuialen AC

Pada penguat CE berlaku:

Dan

VCE(cut) = VCEQ + ICQ rc

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

dan VCE(cut) = VCC

Page 15: Tugas Individu Sarah

seperti ditunjukkan pada garis beban di atas, dengan rc : hambatan kolektor AC.

Jadi pada penguat kelas C swing tegangan sebesar VCC dan arus saturasi sebesar

VCC/rc.

Percobaan Penguat Daya

Percobaan bab V terdiri dari dua percobaan yaitu penguat klas A dan penguat klas B yang

kemudian dimodifikasi menjadi penguat klas AB.

Percobaan Penguat klas A.

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui letak titik kerja penguat klas A dan

efeknya bila titik kerjanya tidak pada tengah garis beban.

Langkah pertama yaitu mengukur besarnya Ic dan Vce masing masing transistor saat

tidak ada sinyal masukan.

Setelah itu lepas amperemeter dan beri sinyal masukan rangkaian penguat. Lihat gambar

sinyal masukan dan keluaran di osiloskop.

Page 16: Tugas Individu Sarah

Dari gambar terlihat kalau sinyal keluaran sefasa dengan sinyal masukan dan terpotong.

Terpotongnya linyal disebabkan oleh letak titik kerja penguat tingkat kedua yang tidak

berada di tengah garis beban, terlihat dari hasil pengukuran Vce dan Ic sebelumnya.

Untuk membetulkan titik kerja maka digunakan resistor variabel sebagai pengganti salah

satu resistor bias pembagi tegangan pada penguat tingkat kedua.

Resistor variabel diset sampai memperoleh tegangan keluaran yang tidak terpotong.

Kemudian alat dimatikan dan diukur berapa nilai resistor variabel tersebut.

Kemudian hasil pengukuran dibandingkan dengan hitungan secara teori.

Percobaan Penguat klas B dan AB

Page 17: Tugas Individu Sarah

Tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui kelemahan dari penguat klas B murni

dan cara mengatasinya. Penguat klas B yang dipraktekkan disini menggunakan

konfigurasi push pull dengan catu tunggal. Namun untuk penguat sinyal kecilnya

digunakan penguat dengan konfigurasi Common Emitor.

Langkah pertama percobaan yaitu mengeset tegangan bias untuk masing masing

transistor. Hal ini dilakukan dengan mengeset resistor variabel yang akan meletakkan

tegangan di output penguat adalah Vcc. Dan jangan lupa untuk mengukur arus yang�

ditarik dari catu daya sebelum penguat diberi sinyal masukan.

Kemudian beri masukan sinyal segitiga dan terlihat pada output kalau sinyal keluaran

terdapat cacat penyeberangan (crossover distortion).

Untuk mengatasi cacat penyeberangan ini digunakan dua dioda untuk membias transistor

push pull. Maka sinyal keluaran akan tidak lagi terdistorsi.

Page 18: Tugas Individu Sarah

Dalam keadaan tanpa sinyal masukan ukurlah arus dari catu, maka akan terlihat bahwa

rangkaian menarik arus lebih banyak.

Latihan Soal dan Penyelesaian

1. Andaikata kita diberi suatu rangkaian seperti pada gambar 7.

a. Tentukan berapa besar nilai RB. Diketahui hfe = 200 dan VCE (kerja) = 0,5 VCC

b. Tentukan pula penguatan KV = VO/V, Diketahui ROt = 50k

c. Tentukan hambatan masukan dan hambatan keluaran.

Page 19: Tugas Individu Sarah

d. Jika Vi dihubungkan dengan sumber tegangan Vs = 2V,dengan hambatan

sumber Rs = 600 ohm dan Vo dihubungkan dengan alat yang mempunyai

hambatan masukan 2 Kilo ohm.Tentukan Tegangan isyarat keluaran

Penyelesaian:

a. Atur kolektor

VCC – VCE 12V – 6V

IC = = = 6 mA

RC IK

Arus basis

IB = IC_ = 6 mA = 30 A

β 200

Arus IB = VCC – VBE = 12V – 0,6V = 30 A

RB RB

RB=11,4V = 380 kilo ohm

11,4V

b. KV = V0 = i0 R0 = ic R0 = hfe R0

V1 i x Ri ii Ri Ri

Ro = Rot // Rc = 50 k // 1k = 1k

Ri = RB // Rit Rit

re = 25___ = 25_ 4,2 ohm

IE(mA) 6

Kita peroleh Ri = ßre = 200 x 4,2 = 8,40 = 840 ohm

Page 20: Tugas Individu Sarah

Penguatan KV = ß Ro = (200) (1 k) = 238

Ri 0,84 k

b. Hambatan masuk

Ri = 840 ohm

Dan hambatan keluar

R0 = RC // R0t = Ik ohm

d.

Vi = Ri Vs =0,83 mV

Ri +Rs

Vo= Rv KvVi = 2K x 238x0,83 mV

Ro + Rs IK + 2K

Vo=131 mV