Penguat Kelas C
Penguat ini tidak memerlukan fidelitas, yang dibutuhkan adalah frekuensi kerja sinyal dan tidak memperhatikan bentuk sinyal. Penguat kelas C dipakai pada penguat frekuensi tinggi. Untuk membantu kerja biasanya sering ditambahkan sebuah rangkaian resonator LC yang terdiri dari induktor dan condensator. Penguat kelas C mempunyai efisiensi yang tinggi sampai 100 % namun dengan fidelitas yang rendah. Tetapi sebenarnya fidelitas yang tinggi bukan menjadi tujuan dari penguat penguat jenis ini. Karena posisi dari titik kerja di C yang berada di bawah kaki darikarakteristik transistor, maka arus kolektor ada pada interval yang lebih kecil darisete ngah perioda. Efisiensi yang dicapai >85%. Untuk mendapatkan sinyal sinus(dengan band untuk si nyal informasinya) pada output penguat daya daya kelas C inidipasangkan rangkaian resonansi. Penggunaan Penggunaan tegangan DC yang dipasangkan secara serial ser ial dengan teganganRF yang akan diperkuat memungkinkan dipilihnya titik-titik kerja di atas, yangakan mengklasifikasikan masing-masing penguat daya itu sesuai dengannamanya. Di bab ini kita hanya akan membahas penguat daya kelas C, yang jugamerupakan penguat yang yang dipakai pada perangkat keras transmitter. Mula-mulakita bahas dasar dari terjadinya pembentukan sinyal yang tidak linier akibatpemilihan titik kerja di bawah kaki karakteristik transistor, yang dilanjutkandengan penurunan dari koefisien deret Fourier, yang menggambarkan harmonis-harmonis yang muncul. Penguat kelas C menghasilkan sinyal output kurang dari 180 derajat darisinyal input. Hal ini karena bias yang diberikan kepada transistor terletak dibawah titik cut-off (mati). Untuk transistor NPN adalah dengan memberikantegangan VBE negatip. Efesiensi penguat kelas C menjadi sangat tinggi, karena hidupnya transistor hanya sebentar saja. Penguat kelas C banyak digunakan padapenguat dengan rangkaian ternala, misalnya pada penguat akhir pemancar.Dengan menggunakan rangkaian ternala pada bagian output penguat kelas C dapatdiperoleh sinyal output bentuk sinus. Penguat kelas C mirip dengan penguat kelas B, yaitu titik kerjanya berada di daerah cut-off transistor. Bedanya adalah penguat kelas C hanya perlu satu transistor untuk bekerja normal tidak seperti kelas B yang harus menggunakan dua transistor (sistem push-pull). Hal ini karena penguat kelas C khusus dipakai untuk menguatkan sinyal pada satu sisi atau bahkan hanya puncak-puncak sinyal saja. Ada beberapa aplikasi yang memang hanya memerlukan 1 phase positif saja. Contohnya adalah pendeteksi dan penguat frekuensi pilot, rangkaian penguat tuner RF dan sebagainya. Transistor penguat kelas C bekerja aktif hanya han ya pada phase positif saja, bahkan jika perlu cukup sempit hanya pada puncak-puncaknya saja dikuatkan. Sisa sinyalnya bisa direplika oleh rangkaian resonansi L dan C. Rangkaian L C pada rangkaian tersebut akan ber-r esonansi dan ikut berperan penting dalam me-replika kembali sinyal input menjadi si nyal output dengan frekuensi yang sama. Tipikal dari rangkaian penguat kelas C adalah s eperti pada rangkaian berikut ini.
Gambar IV.10 Rangkaian dasar penguat kelas C Rangkaian ini juga tidak perlu dibuatkan bias, karena transistor memang sengaja dibuat bekerja pada daerah saturasi. Rangkaian L C pada rangkaian tersebut akan ber-resonansi dan ikut berperan penting dalam me-replika kembali sinyal input menjadi sinyal output dengan frekuensi yang sama. Rangkaian ini jika diberi umpanbalik dapat menjadi rangkaian osilator RF yang sering digunakan pada pemancar. Kelas C amplifier melakukan kurang dari 50% dari sinyal input dan distorsi pada output yang tinggi. Beberapa aplikasi (misalnya, megafon) dapat mentolerir distorsi. Sebuah aplikasi yang lebih umum untuk penguat kelas C adalah pemancar RF, dimana distorsi tersebut dapat sangat dikurangi dengan menggunakan beban tuned di panggung amplifier. Sinyal input yang digunakan untuk mengaktifkan perangkat kasar penguatan dan mematikan, yang menyebabkan pulsa arus mengalir melalui rangkaian disetel. Penguat kelas C memiliki dua modus operasi: tuned dan yg tak disetel [11] Diagram menunjukkan gelombang dari rangkaian kelas C sederhana tanpa beban disetel.. Hal ini disebut operasi yg tak disetel, dan analisis bentuk gelombang menunjukkan distorsi besar besaran yang muncul pada sinyal. Saat beban yang tepat (misalnya, kapasitif murni induktiffilter) yang digunakan, dua hal terjadi. Yang pertama adalah bahwa tingkat bias output adalah dijepit, sehingga variasi output berpusat pada satu-setengah dari t egangan suplai. Inilah sebabnya mengapa operasi disetel kadang-kadang disebut sebuah clamper. Ini tindakan mengangkat tingkat bias memungkinkan gelombang yang akan dikembalikan ke bentuk yang tepat, memungkinkan gelombang lengkap yang akan didirikan kembali meski hanya memiliki persediaan satu-polaritas. Hal ini langsung berkaitan dengan fenomena kedua: gelombang pada frekuensi tengah menjadi jauh lebih sedikit terdistorsi. Distorsi yang hadir tergantung pada bandwidth dari beban yang dicari, dengan frekuensi pusat melihat distorsi sangat sedikit, tetapi lebih besar redaman semakin jauh dari frekuensi yang dicari yang mendapat sinyal. Analisa rangkaian :
C2 dan C3 pada rangkaian tersebut digunakan sebagai kapasitor coupling. Fungsinya untuk membatasi arus DC yang akan memasuki dan
keluar rangkaian ini. R1 dan L1 menghasilkan Vb = 0 v. Pada penguat kelas B, Vb yang dihasilkan harus = 0 V(yaitu Vbe). R3 (Lc) digunakan untuk menghasilkan Vce. Prinsip Kerja Power Amplifier Kelas C
Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180° pada setiap siklusnya (tidak sinusoida), ada rangkaian tangki resonansi, LC seperti ditunjukkan pada gambar diatas. Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesa r:
Pada saat sinyal input sesuai pada frekuensi fr tegangan output akan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangan sebesar Amax . Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dibuat rangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garis beban ditunjukkan pada gambar berikut.
Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dilakukan Rangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garis beban ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 3 , Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinya Pada saat sinyal input tertala pada frekuensi fr tegangan output akan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangan sebesar Amax. Rangkaian Elivalen DC Dan Garis Beban Power Amplifier kelas C
Transistor pada power amplifier kelas C tidak membutuhkan pem-bias-an VBE = 0 ; IC = 0 untuk sinyal input < 0,7 V Titik Q akan cutt-off pada garis beban. RS : hambatan kolektor DC (resistansi induktor RF); garis beban relatif vertikal karena RS kecil. Rangkaian ekivalen AC gambar berikut.
penguat CE ditunjukkan pada
Pada power amplifier kelas C seperti ditunjukan pada gambar diatas berlaku rumusan sebagai berikut :
dan Pada penguat kelas C, ICQ = 0 dan VCEQ = VCC, sehingga: dan Ic(sat) =
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.
Jika sudut penghantar dalam hal ini pergeseran fasa kurang dari 180 o, operasi penguat merupakan Penguat Kelas C. Jenis operasi ini mempunyai 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 t idak 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. Vcc
L Cc
C
RL
Vi
(a) Vcc
RFC Cc
C
L
RL
Gambar 9.5 Penguat Kelas C dengan FET(a) dan BJT(b)
Ic Ip
θ1
ID
t
θ2
2θ
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
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 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 9.3). 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. Desain 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 I p. Untuk transistor BJT ditunjukkan pada gambar 9.5b, dimana tegangan colektor ke emitter maksimumnya adalah
Arus kolektor maksimumnya adalah dari persamaan 9.1
Dan jika θ = π/2 – θ1, maka
………………………….…..(9.10) Arus puncak dihubungkan dnegan 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
) …………………..(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 dihararkan, disipasi transistor akan meningkat dengan kenaikan sudut hantar. Untuk P T 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. KELEBIHAN Lebih efisien. Karena dapat memperkuat sinyal hanya pada frekuensi tertentu saja. Pada penguat kelas C ada rangkaian tambahan berupa kapasitor dan induktor atau disebut juga sirkuit resonan. Rangkaian ini fungsinya sebagai filter frekuensi. Nilai C dan L akan mempengaruhi nilai frekuensi yang akan diperkuat. Jadi hanya satu jenis frekuensi dan kelipatannya saja yang dapat diperkuat. KEKURANGAN * Amplitudo terpotong * Tidak bagus untuk power besar * Memotong Modulasi PENGGUNAAN Untuk penguat kelas C biasanya digunakan pada rangkaian gelombang radio, misalnya pada antena untuk memperkuat sinyal yang memiliki frekuensi tertentu.
