penguat daya
TRANSCRIPT
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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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)
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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)
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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
)
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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,
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘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.
Elektronika TelkomunikasiFahraini Bachruddin ST., MT Pusat Pengembangan Bahan Ajar
Universitas Mercu Buana
‘12
14