Desain Penguat MOSFET

Artikel berikut kita akan mendesain penguat sederhana menggunakan MOSFET menggunakan cara-cara yang praktis, dengan harapan mudah dipahami. Penguat ini hanya satu tingkat penguat. Jadi hanya menggunakan satu buah MOSFET yang akan dioperasikan sebagai penguat kelas A. Rangkaian disusun dalam konfigurasi atau susunan Common Source, seperti tampak dalam gambar di atas. Kita akan menggunakan software aplikasi Proteus, yang cukup baik untuk melakukan simulasi agar karakteristik rangkaian dapat kita ketahui, yang jika diterapkan dalam rangkaian yang nyata , hasilnya tidak akan jauh berbeda. Pada rangkaian di atas, nilai-nilainya sebagian kita tentukan, dan yang lainnya kita hitung menggunakan cara-cara praktis namun cukup akurat.

Pertama, kita pilih komponen MOSFET dengan type IRF530, yang memiliki data teknis sebagai berikut:

Gambar: MOSFET type IRF530

Sebuah MOSFET memiliki tiga buah elektroda, yakni G atau Gate (gerbang), S atau Source (Sumber) dan D atau Drain. Gambar di sisi kanan adalah simbol komponen MOSFET.

Lebih jauh, data teknisnya sebagai berikut:

Gambar: Data teknis MOSFET IRF530

Maksud dari lembar data (datasheet) untuk e-MOSFET Channel N tersebut adalah:

Drain-Source Voltage, V_DS   = 100V (limit atau batas maksimum). Ini merupakan tegangan sumber yang boleh dihubungkan ke kaki Drain terhadap Source.

Gate-Source Voltage, V_GS   = ± 20V (limit atau batas maksimum). Ini tegangan maksimum yang boleh diberikan kepada Gate terhadap Source.

Drain Current = 14 Ampere pada temperatur 25° C atau 10 Ampere jika temperatur mencapai 100° C.

Pulsed Drain Current, I_DM  = 56 Ampere. Ini adalah arus Drain maksimum jika arus tersebut berupa pulsa.

Max. Power Dissipation, P_D  = 88 W. Ini merupakan daya disipasi maksimum komponen, atau daya yang diserap komponen, yang merupakan hasil kali antara tegangan Drain-Source, V_DS , dengan arus drain I_D .

Kemudian untuk tabel yang bawah, maksudnya adalah: tahanan dalam, antara Drain-Source atau R_DS  = 0,16Ω  jika  antara Gate dengan Source ada beda tegangan sebesar V_GS   = 10V.

Langkah Perencanaan Rangkaian

1.  Tetapkan bentuk dan kelas penguat, tetapkan komponen aktif yang akan digunakan, tetapkan besar tegangan sumber V_DD  , tetapkan besarnya arus Drain stasioner. Ini adalah arus Drain di saat tidak ada sinyal input. 

Diperoleh:

• Bentuk penguat: Penguat MOSFET Common Source.
• Komponen aktif: MOSFET type IRF530.
• Tegangan sumber: V_DD  = 50 Volt.
• Arus Drain Stasioner: I_D  = 10 mA.

Gambar: Rencana Rangkaian Penguat MOSFET

2.  Menentukan nilai resistor Drain, yang dalam hal ini adalah R₃ . Caranya sebagai berikut. Sebagai penguat Kelas A, maka V_DS  = ½ V_DD  =  ½  x 50V = 25 Volt. Dalam hal ini tegangan pada R₃  yaitu V_R3  = V_DS  = 25 Volt. Nilai R₃  = V_R3 /I_D  dan I_D  adalah  Arus Drain (silahkan lihat hasil langkah 1 ).

Maka diperoleh,

R₃  = 25V / 10mA = 2500Ω atau 2k5.

3.  Menentukan tegangan Gate terhadap Source. Dan karena dalam rangkaian ini tidak digunakan resistor di kaki Source, maka tegangan Gate = tegangan Gate-Source atau V_G  = V_GS  . Jadi kita akan menentukan nilai tegangan V_GS  atau V_G  . Terkadang kita dapat menggunakan grafik transkonduktansi MOSFET. Tetapi kita akan menggunakan bantuan software Proteus dengan melakukan simulasi.

Pertama, kita membuat rangkaian pengukuran sebagai berikut menggunakan Proteus.

Gambar: Rangkaian untuk mencari V_GS  yang tepat.

Dari percobaan yang sudah kami lakukan, untuk memperoleh nilai V_DS  = V_R3  = 25,0 Volt dibutuhkan tegangan Gate Source sebesar V_GS  = 2,1997 Volt.

Berikut settingan untuk V_GS  .

Dengan demikian dari langkah (3) ini telah kita temukan, V_GS  = 2,1997 Volt.

4.  Selanjutnya kita akan membuat rangkain resistor pembagi tegangan, agar dihasilkan tegangan sebesar V_GS  = 2,1997 Volt dari catu daya V_DD  = 50 Volt.

Nilai R₂  ditetapkan dulu. Untuk supaya impedansi input penguat cukup tinggi, maka kita tetapkan nilai R₂  ini sebesar 100k. Selanjutnya kita hitung sbb.:

Setelah nilai R₁  ditemukan dan diuji coba, maka dihasilkan rangkaian pengukuran sebagai berikut:

Terlihat, dengan V_DD  = 50V,  R₁  =  2173k,  R₂  = 100k dan R₃  = 2k5, maka tegangan DC output yaitu V_DS  = 25 Volt atau sebesar  ½ V_DD  . Dengan demikian rangkaian sudah memenuhi syarat sebagai Penguat Kelas A.

Uji Coba Rangkaian

Sekarang kita akan melakukan uji coba rangkaian dengan sinyal input. Oleh karena itu, rangkaian dilengkapi dengan  C₁  dan  C₂  masing-masing sebagai kopling input dan kopling output. Buat anda yang lupa, kapasitor kopling input berfungsi untuk melewatkan hanya sinyal input berupa sinyal arus bolak-balik atau ac (alternating current), tetapi memblokir tegangan atau arus searah, sehingga tegangan DC yang mungkin terdapat pada sumber sinyal tidak akan berpengaruh terhadap titik kerja penguat ini. Begitu juga kapasitor kopling output, fungsinya, untuk menyalurkan sinyal hasil penguatan kepada beban, tetapi memblokir atau tidak melewatkan komponen DC-nya.

Gambar: Rangkaian lengkap Penguat MOSFET

Untuk melakukan uji coba menggunakan sinyal input, maka di bagian input kita hubungkan dengan sumber sinyal, yakni Signal Generator, sedangkan bentuk-bentuk sinyal input dan output akan kita ukur atau lihat atau tampilkan menggunakan peralatan Osiloskop. Berikut ini rangkaian pengukuran uji cobanya.

Pastikan bahwa sumber tegangan catu sudah disetel secara benar, yakni  V_DD  = 50 Volt.

Selanjutnya, setting Signal Generator sebagai berikut:

Generator disetting pada frekuensi 1 kHz (pada gambar sedikit bergeser, menjadi 1,4 kHz, tidak apa. Level tegangan sinyal diatur pada 100 mV, dan bentuk sinyal sinusoida.

Untuk menampilkan bentuk sinyal sebagai berikut, maka dapat anda perhatikan setting atau setelan untuk timebase dan batas tegangan atau Voltage Range, sebagai berikut. Gambar tampilan kuning untuk sinyal input penguat, dan gambar tampilan sinyal warna merah untuk bentuk sinyal output.

Setting Osiloskop:
<> Time Base = 0,2 mS
<> Range Teg Ch-A = 0,1 V/Div 
<> Range Teg Ch-C = 2 V/Div.

Besarnya amplitudo sinyal input, adalah 1 Divisi p-p (sinyal warna kuning), maka:
 e_IN  = 1 Div x 0,1 Vp-p/Div = 0,1 Vpp.

Besarnya amplitudo sinyal output, adalah 12,5 Divisi p-p (sinyal warna merah)
 e_OUT   = 12,5 Div x 2 V/Div = 25 Vp-p.

Gain Penguat

Dari hasil pengukuran tersebut, kita dapat mengetahui berapa angka penguatan tegangan atau Gain dari penguat yang kita rancang ini, dengan cara:

Gain =  e_out  /  e_in  = 25 Vp-p / 0,1 Vp-p = 250 kali.

Gain ini cukup besar.