Penguat Daya

Modul 9 Penguat Daya dan Frequency Multiplier 9.1

Pendahuluan Pengua Penguatt sinyal sinyal berada berada pada pada tahap tahap akhir akhir satu satu amplif amplifier ier,, dimana dimana parame parameter ter yang yang menjadi perhatian kemudian adalah efisiensi penguat. Efisiensi merupakan hal yang pentin penting g bila bila sinyal sinyal besar besar yang yang diperl diperluka ukan. n. Efisie Efisiensi nsi berhub berhubung ungan an erat erat dengan dengan bagaimana penguat tersebut diberikan prategangan (bias voltage). Dan juga bahwa efisiensi tersebut dapat diperbaiki dengan menggeser titik kerja penguat dari tengahtengah garis beban. Semua amplifier amplifier merupakan merupakan amplifier untuk power, power, bagaimanapu bagaimanapun, n, operasi 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 nilai voltag voltage e gain gain merupa merupakan kan fungsi fungsi yang yang pentin penting g dalam dalam amplif amplifier ier ini, ini, maka maka ini disebu disebutt dengan dengan pengua penguatt tegang tegangan. an. Gambar Gambar 9.1 menunj menunjukk ukkan an blok blok diagra diagram m dari 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 tinggi ini mengha menghasil silkan kan power power yang yang tinggi tinggi.. Ini sangat sangat pentin penting g untuk untuk mempun mempunyai yai efesie efesiensi nsi yang yang tinggi tinggi pada pada pengua penguatt daya. daya. Sebuah Sebuah pengua penguatt daya daya yang yang efesie efesien n menyalurkan daya sinyal yang paling besar untuk daya dc yang diambil dari power

Elektronika Telkomunikasi

‘12 ‘12 1

Fahraini Bachruddin ST., MT

Pusat Pengembangan Bahan Ajar Universitas Mercu Buana

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 B

Class C

between

78.5 %

100 %

360

classes A and B between

180O

small (approx.

angle Distortion Bias

low forward

classes A and B moderate forward

high zero

90O) extreme reverse

(emitter-

(center of load

(near cutoff)

(at cutoff)

(beyond cutoff)

base) Applications

line) Practically all

High-power

High-power

Generally limited

small-signal

stages in both

stages

to radio-

amplifiers. A few

audio and radio-

generally not

frequency

moderate power

frequency

used in audio

applications.

amplifiers in audio

applications.

applications

Tun-ed circuits

due to

remove much of

distortion.

the ex-treme

Efficiency Conduction

50 %

Class AB

O

applications.

distortion.

Table 9-2

Amplifier Characteristics


‘12 5



Explanations and Examples Voltage

Voltage amplifiers are small-signal amplifiers. They can be

amplifiers

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

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

Classes

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. 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


‘12 6



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 berikut


‘12 8



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)

Jika sudut penghantar tergantung pada amplitude dari input, amplitude arus


‘12 9



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 90 o, 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

Recommend Documents