12
Transistor Penguat Daya Kelas B
Operasi kelas B sebuah transistor menunjukkan bahwa arus kolektor hanya mengalir 180˚ dari siklus AC. Ini berarti bahwa titik Q ditempatkan di dekat titik putus dari kedua garis beban dc dan ac. Keuntungan dari operasi kelas B adalah lebih kecilnya kehilangan daya transistor, daya pada beban dan efisiensi yang lebih besar.
Rangkaian yang digunakan pada penguat kelas B adalah rangkaian push-pull atau kadang disebut sebagai rangkaian komplementer, karena terdiri dari dua buah transistor yang identik, tapi berlawanan tipe, yaitu tipe npn dan pnp. Apabila transistor satu (Q1) on, maka transistor (Q2) off, dan sebaliknya.
Rangkaian dorong-tarik (push-pull)
Contoh rangkaian push-pull penguat kelas B seperti pada gambar 1.1(a). pemberian tegangan bias pada penguat push-pull harus diatur sedemikian rupa untuk mencegah adanya distorsi yang dikenal sebagai crossover distortion. Ini berarti bahwa satu transistor bekerja selama setengah siklus, dan transistor yang lain bekerja selama setengah siklus yang lain.
gambar 1. 1 (a) pengikut emitter push-pull kelas B (b)Rangkaian ekivalen dc.
Transistor yang atas bekerja sebagai pengikut emiter, sehingga tegangan keluaran RL kira-kira sama dengan bagian positif dari tegangan input. Pada bagian negative dari siklus tegangan input, transistor yang bawah bekerja sebagai pengikut emiter dan menghasilkan bagian negative dari tegangan output.
Rangkaian Ekivalen DC
Gambar 1.1(b), menunjukkan rangkaian ekivalen dc. Perancang memilih tahanan pemberi bias untuk menetapkan titik Q pada titik putus (cutoff). Hal ini memberi bias pada emitter pada setiap transistor di antara 0,6 V dan 0,7 V. Secara ideal, arus tenang kolektor sama dengan nol,
ICQ=0
Karena transistor-transistor itu ditempatkan dalam seri, maka tegangan masing-masing diode emitter sama. Akibatnya setengah tegangan catu daya jatuh pada setiap transistor, yang berarti tegangan tenang kolektor-emiter (VCEQ) dari masing-masing transistor yaitu,
VCEQ=VCC2
Garis beban DC
Semenjak tidak adanya tahanan pada kolektor maupun emitter pada gambar 1.1(b). Arus DC saturasinya menjadi tak terhingga. Oleh karena itu dalam gambar 1.2. garis beban dc vertical.
gambar 1. 2 (a) Garis-garis beban (b) Rangkaian ekivalen ac.
Hal ini merupakan situasi yang berbahaya. Yang paling sulit dalam merancang penguat kelas B adalah menentukan titik Q yang mantap pada titik putus. Penurunan VBE yang besar karena turunnya suhu dapat menggeser titik Q jauh ke atas pada garis beban dc sampai pada tingkat arus yang berbahaya. Tetapi, untuk sementara, kita akan menganggap bahwa titik Q terletak kokoh pada titik putusnya.
Garis Beban AC
Garis beban ac yang telah diuraikan masih berlaku. Untuk sebuah pengikut emitter, arus jenuh ac adalah
ICsat=ICQ+VCEQrl
Dan tegangan putus ac adalah : VCe(cutoff)=VCEQ+ ICQrL
Karena ICQ= 0 dan rL= RL, maka ICsat=VCEQRL dan VCe(cutoff)=VCEQ
Bila sebuah transistor bekerja, titik operasi transistor itu akan berayun ke atas sepanjang garis beban ac; sementara itu titik operasi transistor yang lain tetap berada titik putusnya. Tegangan dari transistor yang menghantar dapat berayun dari keadaan putus sampai keadaan jenuh. Pada setengah siklus yang lain, transistor yang lain melakukan hal yang sama. Ini berarti bahwa kepatuhan ac kelas B lebih besar dari kelas A, sehingga besar output peak-to-peaknya adalah,
PP VCC
Analisis AC
Gambar 1.2 (b) memperlihatkan rangkaian ekivalen ac dari transistor yang bekerja. Bagan ini hampir sama dengan pengikut emitter kelas A. Bati tegangan (AV)pada beban (RL) adalah,
AV=RLRL+r'e
Impedansi masuk dengan beban pada basis adalah
zinbasis β(RL+r'e)
Dan impedansi keluar adalah
zout= r'e+rBβ
Bati arus (Ai) hampir sama dengan β, dan bati daya (Ap) adalah
Ap=AvAi
Perilaku Keseluruhan dari Cara Kerja Penguat Daya Kelas B
Perilaku kesuluruhannya sekarang jelas. Transistor yang diatas menangani setengah siklus tegangan masuk positif, dan transistor yang dibawah menangani setangah siklus negative. Pada kedua setengah siklus itu, sumber memperlihatkan impedansi masuk yang tinggi ke dalam basis, dan beban memperlihatkan impedansi keluar yang rendah.
Distorsi Penyebrangan (Crossover Distortion)
gambar 1. 3 (a) Rangkaian ekivalen ac (b) distorsi penyebrangan (c) titik Q sedikit lebih tinggi dari tegangan cut offgambar 1. 3 (a) Rangkaian ekivalen ac (b) distorsi penyebrangan (c) titik Q sedikit lebih tinggi dari tegangan cut off
gambar 1. 3 (a) Rangkaian ekivalen ac (b) distorsi penyebrangan (c) titik Q sedikit lebih tinggi dari tegangan cut off
gambar 1. 3 (a) Rangkaian ekivalen ac (b) distorsi penyebrangan (c) titik Q sedikit lebih tinggi dari tegangan cut off
Secara ideal titik Q dari suatu penguat push-pull kelas B adalah pada titik putus. Kenyataan dalam prakteknya, titik Q harus sedikit di atas keadaan putus untuk menghindari distorsi. Mengapa? Misalkan tidak ada bias yang diterapkan pada diode emitter. Maka tegangan yang datang harus naik sampai sekitar 0,7 V untuk mengatasi potensial barrier itu. Oleh karena itu bila sinyalnya lebih kecil daripada 0,7 V, tak ada arus yang mengalir melalui Q1. Hal yang sama juga terjadi pada setengah siklus yang lain; tak ada arus yang mengalir pada Q2 sampai tegangan masuk ac lebih negative daripada -0,7 V. Dengan alasan ini, bila taka da prategangan yang diterapkan pada diode emitter, keluaran pengikut emitter push-pull kelas B akan tampak seperti gambar 1.3(b).
Tegangan keluaran ini mengalami distorsi. Tegangan tersebut tidak lagi berbentuk sinusoidal disebabkan oleh pemotongan yang terjadi diantara kedua setengah siklus. Oleh karena pemotongan terjadi dalam waktu antara satu transistor tidak menghantar dan transistor lain mulai menghantar, maka distorsi tersebut dinamakan distorsi penyebrangan.
Untuk meniadakan distorsi penyebrangan, kita perlu menerapkan sedikit forward bias pada setiap diode emitter. Ini berarti menempatkan titik Q sedikit diatas titik putus (cut off) seperti gambar 1.3(c). sebagai panduan, suatu arus ICQ antara 1 sampai 5 persen dari Ic(sat) sudah cukup unutuk menghilangkan distorsi penyebrangan. Misalnya, apabila Ic(sat) = 100 mA, kita harus memasang ICQ antara 1 dan 5 mA untuk menghindari distorsi penyebrangan.
Rumus-Rumus Untuk Kelas B
gambar 1. 4 arus dan tegangan kelas Bgambar 1. 4 arus dan tegangan kelas Bgambar 1.4 memperlihatkan bentuk gelombang arus dan tegangan maksimum dari transistor yang tidak dipotong. Transistor yang atas menghasilkan setengah siklus menurut garis yang penuh sedangkan transistor yang bawah menghasilkan setengah siklus menurut garis yang patah-patah.
gambar 1. 4 arus dan tegangan kelas B
gambar 1. 4 arus dan tegangan kelas B
Disipasi Daya transistor dalam keadaan tenang
Dalam keadaan tak ada isarat atau tenang. Transistor-transistor dari penguat kelas B berada dalam keadaan tidak jalan. Oleh karena hanya arus yang sangat kecil melaluinya, sebesar yang diperlukan untuk meniadakan distorsi penyebrangan. Kita dapat menghitung daya dalam keadaan tenang ini dengan :
PDQ=VCEQ ICQ
Oleh karena ICQ hanya sampai 1 sampai 5 persen dari IC(sat), maka PDQ ini kecil.
Disipasi Daya Transistor Maksimum
gambar 1. 5 Disipasi daya transistorgambar 1. 5 Disipasi daya transistorApabila terdapat masukan isarat ac, masing- masing transistor akan mempunyai arus dan tegangan yang mempunyai ayunan besar, yang menyebabkan kenaikan disipasi daya. Dalam keadaan yang paling buruk, Disipasi daya transistor mencapai maksimum sebesar.
gambar 1. 5 Disipasi daya transistor
gambar 1. 5 Disipasi daya transistor
PD(maks)=PP240RL
Gambar 1.5 memperlihatkan bagaimana disipasi daya transistor berubah dengan berubahnya tegangan puncak-ke-puncak. Karena disipasi daya pada kasus terburuk adalah PP2/40RL, setiap transistor pada penguat kelas B harus mempunyai batas kemampuan daya lebih besar daripada PP2/40RL.
Daya Beban
PL=VPP28RL
Ket : PL = daya beban ac
VPP = tegangan beban puncak-ke-puncak
RL = resistansi beban
Oleh karena PP menyatakan tegangan beban maksimum yang tidak terpotong, kita dapat menulis
PL(maks)=PP28RL
Oleh karena dalam gambar 1.4, PP sama dengan 2 VCEQ. Karena PP VCC, Maka rumus lainnya,
PL(maks)=VCEQ22RL
Penguras Arus
Penguras arus dc dari penguat dorong-tarik kelas B adalah,
Is=I1+ I2
Di mana I1 = arus dc yang melalui tahanan-tahanan pemberi tegangan
I2 = arus dc melalui kolektor yang diatas
Bila tak ada sinyal, I2 = ICQ, dan penguras arus menjadi kecil. Tetapi bila ada sinyal, penguras arus naik karena arus kolektor yang diatas menjadi besar.
Bila semua garis beban ac digunakan, maka transistor yang diatas mempunyai arus setengah gelombang sinus yang melaluinya dengan harga puncak
Ic(sat)=VCEQRL
Harga rata-rata atau harga dc dari sinyal setengah gelombang adalah
I2=0,318 IC(sat)
Atau
I2= 0,318 VCEQRL
Daya Input DC
Persamaan ini dapat digunakan untuk menghitung penguras arus kolektor maksimum. Daya input dc yang diberikan pada rangkaian ini adalah
PS=VCCIS
Persamaan ini dapat diterapkan pada setiap penguat dorong-tarik kelas B dengan catu daya tunggal VCC. Pada keadaan tanpa sinyal, daya dc kecil karena penguras arus minimum. Tetapi, bila sinyal menggunakan semua garis beban ac, daya dc yang diberikan ke rangkaian mencapai maksimum.
Efisiensi
η= PL(maks)PS(maks)×100%
Kelas B mempunyai efisiensi tahapan yang lebih besar daripada kelas A karena menghasilkan jauh lebih banyak daya keluar dengan lebih sedikit daya dc dari catu. Kenyataannya, dapat ditunjukkan bahwa tahapan dorong-tarik kelas B mempunyai efisiensi maksimum 78,5 %. Tahapan kelas A dapaat mempunyai efisiensi maksimum 25% (tergantung RC) atau 50% (gandengan transformator). Dibandingkan dengan kedua kasus itu, kelas B masih lebih efisien.
Pemberian Bias pada Penguat Kelas B
Pada bahasan ini, akan membahas menetapkan titik Q yang mantap di dekat titik putus.
Bias Pembagi Tegangan
gambar 1. 6 Bias pembagi tegangan untuk kelas Bgambar 1. 6 Bias pembagi tegangan untuk kelas B
gambar 1. 6 Bias pembagi tegangan untuk kelas B
gambar 1. 6 Bias pembagi tegangan untuk kelas B
Gambar 1.6 memperlihatkan rangkaian pembagi tegangan untuk rangkaian dorong-tarik kelas B. Dua transistornya harus komplementer, artinya mereka mempunyai lengkungan VBE, batas kemampuan maksimum, dan sebagainya sama. Misalnya, 2N39014 dan 2N3906 adalah komplementer, yang pertama transistor npn dan yang kedua pnp. Pasangan komplementer seperti ini ada di pasar untuk hampir semua perancangan dorong-tarik kelas B.
Untuk menghindari distorsi perlintasan, kita menetapkan titik Q sedikit di atas titik putus, dengan harga VBE di antara 0,6 dan 0,7 V, tergantung dari jenis transistor, suhu, dan unsur-unsur lainnya. Arus emitter sangat sensitive terhadap perubahan VBE. Lembaran data menunjukkan bahwa kenaikan VBE 60mV menaikkan arus emitter 10 kali lebih banyak. Oleh karena itu, tahanan yang dapat diatur sangat diperlukan untuk menemukan titik Q yang tepat.
Tetapi tahanan yang dapat diatur ini tidak memecahkan masalah suhu. Meskipun titik Q yang cocok sudah ditemukan pada suhu kamar. Titik Q tersebut berubah apabila suhu lingkungan juga berubah. VBE akan turun sekitar 2 mV per derajat kenaikan suhu. Jika temperature naik maka pada setiap diode emitter akan memaksa arus kolektor naik. Pada biad pembagi tegangan ini titik Q sangat tidak stabil.
Bahaya yang terbesar adalah Pelanturan Thermal (thermal runaway). Bila suhu naik. Arus kolektor juga naik. Titik Q dapat "melantur" dengan naik sepanjang garis beban dc sampai daya yang berlebihan merusak transistor. Kemungkinan terjadinya pelanturan termal ini tergantung dari sifat-sifat termal transistor. Untuk mengatasinya biasanya digunakan penyalur panas (heat sink).
Bias Dioda
gambar 1. 7 Bias Diodagambar 1. 7 Bias Diodasalah satu jalan untuk menghilangkan pelanturan termal adalah dengan bias diode. Dioda-dioda tersebut dinamakan diode "kompensasi". Karena diode-dioda tersebut dapat mengimbangi perubahan-perubahan temperature. Gagasan dari bias ini adalah menggunakan tegangan lintas diode pengimbang untuk menghasilkan bias untuk diode-dioda emitter. Agar rangkaian ini bekerja, maka diode-dioda kompensasi harus mempunyai kurva yang cocok dengan kurva VBE dari transistor-transistor tersebut.
gambar 1. 7 Bias Dioda
gambar 1. 7 Bias Dioda
Misalnya, anggap bahwa bias 0,65 V menghasilkan arus kolektor tenang sebesar 2mV. Apabila temperature mengalami kenaikan 30˚, tegangan lintas diode kompensasi turun menjadi
(2 mV)(30) = 60 mV
Oleh karena itu, VBE juga turun menjadi 60 mV,namun ICQ tetap 2 mA. Arus bias yang mengalir pada diode kompensasi pada gambar 1.7 adalah
IBias=VCC-2VBE2R
Ketika kurva-kura diode cocok dengan kurva-kuva VBE dari transistor, ICQ sama dengan IBias.
Keuntungan dan Kerugian
gambar 1. 8 amplifier push-pull kelas B
Jika rangkaian penguat daya kelas B ini tidak diberi bias apapun, setiap transistornya berada dalam keadaan cutoff jika tidak ada sinyal masukan. Ini adalah sebuah keuntungan karena tidak ada arus yang terkuras ketika sinyal sama dengan 0.
Keuntungan lainnya adalah peningkatan dalam efisiensi dimana jika ada sinyal masukan. Efisiensi maksimum dari rangkaian dorong-tarik kelas B adalah 78,5%, maka kelas B biasanya digunakan sebagai tahapan output daripada amplifier kelas A.
Kerugian utama pada amplifier pada gambar 1.8 ini adalah penggunaan transformator. Transformator audio besar dan mahal. Meskipun banyak digunakan bersamaan, penguat dengan gabungan transformator seperti gambar 1.8 sudah tidak lagi popular. Desain baru telah menghilangkan transfomator pada sebagian besar aplikasi.
Contoh Soal
Apabila ICQ satu persen dari ic(max) berapakah besarnya PDQ, PD(max) dan PL(max)?
Jawaban :
Arus jenuh ac pendekatannya adalah
icsat= VceqRl= 7,5Ω 50Ω =150 mA
Oleh karena itu arus tenang kolektor adalah
ICQ=0,01 ic (sat) =0,01 (150 mA) = 1,5 mA
kehilangan daya selama keadaan menganggur untuk masing-masing transistor adalah
PDQ = VCEQICQ= (7,5V) (1,5 mA) = 11,3 Mw
Kepatuan ac kira-kira diberikan oleh
PP = 2VCEQ = VCC = 15v
Apabila suatu sinyal masukan menjalankan penguat,kehilangan daya transistor dalam keadaan yang paling buruk adalah
PD(max) = PP240 RL = (15V)240(50Ω)=113 mW
Daya beban ac maksimum adalah
PL(max) = PP28 RL = (15V)28(50Ω)=563 mW
Apabila arus yang mengalir melalui tahanan-tahanan prategangan dalam 2 persen dari ic(sat), berapakah efisiensi penguat dengan sinyal keluaran maksimal?
Jawaban :
Arus yang melewati titik tahanan-tahanan prategangan adalah :
I = 0,02 iC(sat) = 0,02 ( 150 mA) = 3 mA
Dengan sinyal keluaran maksimum,arus yang melewati transistor yang di atas adalah setengah gelombang dari gelombang sinus yang di serahkan dengan harga rata-rata kira-kira diberikan oleh :
Idc = 0,318 iC(sat) = 0,318 ( 150 mA) = 47,7 mA
Oleh karena itu,arus maksimum yang di ambil dari catu daya kurang lebih :
Icc = I1 + Idc = 3 mA + 47,7 mA = 50,7 mA
Daya dc dari catu daya adalah :
Pcc = VCCIcc = (15V)(50,7mA) = 761 mW
Efensiasinya adalah :
η= PL(max)PCC = 563 mw761 mW = 73,4 %
Daftar Pustaka
Malvino, Albert Paul. 2000. Prinsip-Prinsip Elektronika jilid 1. Terjemahan Muhammad Barmawi. Jakarta: Erlangga.
Malvino,Albert Paul. 1997. Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor. Terjemahan M. Barmawi dan M. O. Tjia. Jakarta: Erlangga.
Malvino, Albert dan Bates, David J. 2007. Electronic principles. McGraw-Hill Science.
