Penguat Linier Push Pull IREK

Setelah beberapa eksperimen membuat penguat linier single ended menggunakan power mosfet alias IREK, sukses dikerjakan maka tiba saatnya untuk mencoba rangkaian Push Pull yang menghasilkan power lebih besar pada tegangan catu yang sama. Saya sudah mencoba beberapa kali sehingga beberapa pengalaman eksperimen bisa saya share untuk rekan2 sekalian.

Rangkaian penguat linier push pull menggunakan IREK yang terakhir saya pergunakan adalah sebagai berikut :

 

.

Gambar pola PCB terbalik sebagai bahan dicetak untuk metode toner transfer sebagai berikut :

Silahkan menyesuaikan skalanya dengan ukuran komponen yg digunakan, sebagai tolok ukur antara lain pad untuk gate dan source IREK adalah pas ukuran IRFP 250 N dimana kaki drain diangkat ke atas tidak disolder ke PCB.

Setelah disolder beginilah penampakannya :

Rangkaian di atas sudah saya gunakan berkomunikasi di band 40 m dengan tegangan power supply 24 Volt dan bisa menarik arus sampai 10 Ampere pada modulasi puncak, dengan power input dari driver sebesar 5 watt.

SEKILAS PANDANG :
1.  Pada input ada attenuator 50 ohm dengan redaman yg kecil saja.
2.  Rangkaian bias dimulai dari tegangan input 12 V diturunkan menggunakan IC regulator 7805, selanjutnya bias Irek diatur menggunakan 3 buah trimpot.  Trimpot master diatur sehingga outputnya tegangan di kaki tengah 4 Volt saja.  Dua trimpot di masing2 Irek digunakan mengatur arus idle sehingga kedua Irek tersebut memiliki arus idle yang sama, katakanlah sebesar 50 mA.  Setelah arus idle keduanya sama maka pengaturan bias dilakukan hanya melalui trimpot Master saja.  Sebelum distel maka trimpot master ini dikembalikan ke posisi minimum, tanpa merubah kedua trimpot lainnya.
3.  Rangkaian Irek menggunakan skema generik saja, RC feedback dari drain ke gate silahkan dirubah untuk mendapatkan hasil optimal.
4.  Rangkaian output menggunakan ferit tubing, transfer impedansi dari penguat Irek ke antenna hanya menggunakan faktor pengali 4, selanjutnya menggunakan rangkaian LC Matcher yang berfungsi sekaligus sebagai Low Pass Filter.

HITUNG MENGHITUNG :

1. Impedansi Input

Seperti biasa impedansi input harus diusahakan 50 ohm mendekati impedansi output rangkaian driver di depannya.  Sebagai upaya maka saya pasang attenuator sederhana, sehingga driver akan mendapat impedansi 50 ohm pada outputnya, demikian pula penguat linier mendapat impedansi 50 ohm pada inputnya.  Permasalahannya sekarang bagaimana supaya penguat linier kita inputnya 50 ohm ?  Berapakah impedansi input penguat linier yg kita rancang ?

Baiklah, mari kita sediakan input 50 ohm untuk penguat li ier kita berupa sebuah trafo RF.  Input yamg diinginkan adalah 50 ohm, maka yang harus disediakan berupa suatu koil dengan ketentuan faktor Q minimal 4 maka yg harus disediakan adalah koil 4 x 50 = 200 ohm.
Nilai induktansi suatu koil tergantung frekuensi, maka kita tetapkan frekuensi terendah yg akan dikuatkan, katakanlah kita main di 40 m paling rendah di frekuensi kolong misalnya di 6,990 MHz.  Kita hitung berapa nilai induktansi koilnya :

XL  = 2 x PI x f x L   dimana f dalam hertz dan L dalam Henry.
L     =  XL / (2 x PI x f )

= 200 / ( 2 x 3,14159 x 6990000 )

= 200 / 43.919.428,2

= 4,55379 x 10^-6 Henry

= 4,55 uH

Dengan demikian nilai induktansi lilitan primer trafo input adalah 4,55 uH.  Silahkan dililit bisa menggunakan toroid, ferit batang atau inti udara yang penting diukur dengan LC meter diperoleh nilai sekitar 4,55 uH.  Catat berapa jumlah lilitan yang diperlukan.

Selanjutnya kita perlu menentukan berapa impedansi lilitan sekunder.
Caranya adalah dengan memperkirakan impedansi input penguat Irek sesuai nilai kapasitansi inputnya atau pada datasheet yaitu Ciss.
IRFP 250 N mempunyai nilai Ciss = 2159 pF.  Kita hitung nilai reaktansi kapasitifnya :
XC = 1/ ( 2 x PI x f x C )    dimana f dalam Hertz dan C dalam Farad
= 1 / ( 2 x 3,14159 x 6990000 x 2159 x 10^-12 )
= 1 / 0,09482

= 10,549 atau kita bulatkan saja 10 ohm.

Nilai 10 ohm ini adalah impedansi input untuk 1 batang Irek, bagaimana kalau rangkaiannya push pull ?  Saya belum mempelajari jadi anggap saja seandainya harus diseri maka menjadi 20 ohm, sedangkan seandainya dianggap paralel maka menjadi 5 ohm.  Nah, begitu kan tidak usah repot.

Selanjutnya kita hitung perbandingan lilitan antara primer dengan sekunder dari trafo RF di bagian input sebagai berikut :

N = akar kuadrat ( Z in / Z out )
= akar kuadrat ( 50 / 10 )
= akar kuadrat ( 5 )
= 2,23

Dengan demikian jika impedansi sekundernya adalah 10 ohm maka jumlah lilitan primer adalah 2,23 kali jumlah lilitan sekunder.  Artinya jumlah lilitan sekunder adalah ( 1/2,23 = 0,45 ) kali jumlah lilitan primer.  Jumlah lilitan primer sudah kita ukur dan catat di atas sehingga tinggal mengalikan saja.

Nah hitungan di atas akan benar jika impedansinya adalah 10 ohm.  Bagaimana kalau pada rangkaian push pull menjadi 20 ohm, atau menjadi 5 ohm ?  Silahkan dicoba hitung kembali dan dicoba mana yang tepat.  Kalau saya, daripada hitung menghitung terus mendingan saya tambahkan L1 pada rangkaian input sebelum trafo RF.  Dari beberapa rangkaian yg saya pelajari katanya penempatan L seri tersebut dapat membantu tuning mengurangi efek kapasitas gate yang besar.
Untuk nilai L1 ini saya tidak hitung, asal dipasang saja menurut wangsit kok pantasnya 10 lilit pakai kawat 0,5 mm ya saya pasang saja segitu.  Kalau kurang pas kan bisa digulung ulang hehe . . .

Sesuai hasil eksperimen ternyata penyetelan L1 bisa berpengaruh terhadap modulasi dan kepekaan rangkaian terhadap sinyal input yang mempengaruhi arus yang bisa ditarik.  Jadi pemasangan L1 ini saya anggap PERLU dilaksanakan sekalipun TIDAK HARUS.

 

2.  PENYETELAN TEGANGAN BIAS

Tegangan bias perlu distel untuk masing2 Irek karena banyak yg sifatnya berbeda sekalipun satu merek dan satu tipe.  Cara penyetelan untuk ketiga trimpot sudah dijelaskan di atas, tinggal cara penyetelan trimpot Master yang lebih detail.  Oke katakanlah trimpot Master sudah distel pada tegangan output 4 Volt di kaki tengah, dan trimpot pada masing2 Irek sudah distel untuk arus idle pada drain yg sama sekitar 30 – 50 mA, dan kemudian trimpot Master sudah dikembalikan ke nol Volt, semua penyetelan tersebut dilakukan tanpa ada sinyal RF input.  Sudah tahu kan ?  Mari kita lanjutkan :
–  Hubungkan input dengan sumber sinyal, power supply on dan PTT on posisi transmit.
–  Besarkan sedikit trimpot Master, beri modulasi sambil dimonitor suaranya di receiver.  Awasi jarum ampere, mungkin belum ada gerakan.
–  Kerjakan seperti itu terus, besarkan trimpot Master sedikit demi sedikit sampai ada gerakan pada jarum ampere.
– Stel sampai termonitor modulasi yg linier dan besarnya arus sesuai perkiraan power output.  Sebagai contoh input 5 watt, perkiraan penguatan 20 kali sehingga power RF adalah 100 Watt.  Dengan efisiensi 50 % maka daya yg disedot seharusnya 200 watt, atau pada tegangan 25 Volt arusnya = 8 Ampere.
–  Perhatikan bahwa dengan adanya daya 100 Watt yg hilang berupa panas maka heatsink yg dipakai mestinya juga terasa panas, tolong cepat dipasang kipas yang anginnya cukup kencang supaya Ireknya tidak kepanasan.
–  PENTING : perhatikan arus setelah tidak ada modulasi.  Ketika kita berteriak WOOOOKKEEEE dan arus ditarik sekitar 8 Ampere, selesai teriak mestinya jarum amper turun ke nilai serendah-rendahnya.  Kalaupun agak tinggi maka diusahkan arus tanpa modulasi tersebut tidak melebihi 0,7 Ampere, dan ketika dibiarkan tanpa modulasi maka arus tersebut semakin menurun.  WASPADA, jika setelah modulasi berhenti jarum amper menunjukkan nilai yg tinggi katakanlah lebih dari 1 Ampere, atau tanpa modulasi arusnya semakin menaik.  Kalau hal2 tersebut terjadi silahkan kecilkan tegangan bias jangan ditunda.

 

3.  IMPEDANSI OUTPUT

Penguat linier kita sekarang sudah bisa memperkuat RF pada inputnya, dengan tujuan akhir untuk dipancarkan melalui antenna.  Sebagian besar disain antenna yg beredar mempunyai impedansi 50 ohm, sehingga agar transfer dayanya optimal maka impedansi output penguat linier juga harus 50 ohm.  Pertanyaannya sekarang adalah, berapakah impedansi output penguat linier yang baru saja kita rakit ?
Mari kita hitung seperti contoh berikut, diketahui tegangan power supply 25 Volt dan arus yg ditarik adalah 10 Ampere.
.
– Besarnya daya DC = 25 V x 10 A = 250 watt.
– Diperkirakan efisiensi = 50 %, maka daya RF adalah 125 watt.
– Impedansi output = (Tegangan drain to drain)^2 / ( 2 x power output )
=  ( 25 + 25 )^2 / ( 2 x 125 )
=  2500 / 250
=  10,0 ohm
Impedansi output 10,0 ohm ini berada pada lilitan primer tubing ferit output yang jumlahnya satu lilit saja.
Berpa faktor pengali dari 10,0 ohm untuk mencapai impedansi 50 ohm ?

N = akar kuadrat ( Z in / Z out )

= akar kuadrat ( 50 / 10 )
= akar kuadrat ( 5 )
= 2,25

Dengan demikian jika lilitan primer = 1 lilit maka jumlah lilitan sekunder untuk mencapai impedansi 50 ohm adalah 2,25 lilit.  Ternyata pada trafo model tubing ini kita tidak dapat membuat 2,25 lilit sehingga dicukupi 2 lilit saja yang artinya impedansi output penguat linier kita hanya 40 ohm, tidak tepat 50 ohm.
Pertimbangan lain yaitu bahwa power output yang kita hitung juga hanya perkiraan maka kita perlu membuat rangkaian penyesuai impedansi yang bersifat variabel untuk mendapatkan impedansi output yang benar-benar matched dengan antena 50 ohm.
Untuk itu maka akhirnya saya tambahkan rangkaian LC matcher, yang disamping berfungsi menyesuaikan impedansi sekaligus juga sebagai Low Pass Filter.

LC Matcher Sederhana

Contoh untuk di band 40 m, dengan frekuensi atas 8 MHz, berikut nilai koil dan kapasitor yang diperlukan untuk matching ke 50 ohm :

Imp. Input     L  ( uH )     C ( pF )
( Ohm )

05                       0,30           1.194

10                       0,40               796

15                       0,46                608

20                      0,49                487

25                      0,50                398

30                     0,49                 325

35                     0,46                 260

40                     0,40                 199

45                     0,30                  133

Silahkan diperhatikan bahwa nilai koilnya hanya rendah saja sehingga lebih praktis menggunakan lilitan dengan inti udara.  Untuk kapasitornya bisa digabung kapasitor biasa dengan kapasitor variabel agar bisa dituning.  Kalaupun anda kesulitan mendapatkan varco yang sesuai silahkan menggunakan kapasitor yang diparalel dan diukur kapasitasnya supaya pas.  Disarankan kapasitornya tipe keramik dengan tegangan 2 kV atau lebih jika output penguat linier cukup besar.
.
Begitulah rekan-rekan yang saya muliakan, bagaimana saya membuat kira-kira nilai komponen yang saya pakai dalam eksperimen penguat linier IREK ini.  Betul tidaknya silahkan dibahas yang punya teori, buat saya yang penting ilmu kira-kira tersebut bisa membantu saya sampai penguat tersebut bisa saya pakai untuk berkonmunikasi dengan rekan2 amatir radio.
.
Selamat bereksperimen.

UPDATE :
–  Kondisi terbaru saya gunakan untuk penguat BITX, power input 2,5 watt dan saya ukur tegangan bias pada gate adalah 4,2 volt hehe . . .  Ingat, jangan sekali2 mencoba menyetel bias berdasarkan tegangan, ikuti prosedur yg sudah diterangkan di atas.  Jika penguat sudah berfungsi normal dan linier silahkan diukur, barangkali kaget juga seperti saya.
–  Pengalaman tuning koil L1, penguat sudah berfungsi normal maka saya putar2 L1 sambil dimodulir.  Ketika diputar keluar (ferit bergerak ke atas) ternyata power semakin besar.  Akhirnya saya putar terus, semakin besar maka diputar lagi wah senang sekali saya.  Kemudian saya putar lagi semakin keluar dan diberi modulasi tess . . . jarum amper bergerak menuju nol, tidak bergerak sekalipun sudah teriak2.  Perkiraan saya adalah dengan dikuranginya induktansi L1 maka sinyal input semakin besar yg akhirnya melampaui batas toleransi Gate yg akhirnya putus.  Setelah dicabut dan diukur ternyata memang antara Gate dan Source terjadi hubungan pendek alias korslet.
Berhati-hatilah melakukan tuning, jangan terlalu bernafsu ingin mendapatkan power besar.

UPDATE  LAGI :

Membuat tafo input T1 termasuk bagian yang “tricky” alias gampang2 susah.  Jika menggunakaan toroid seringkali induktansi 4,55 uH hanya berupa 1 lilitan, bagaimana membuat sekundernya.  Jika dipaksakan mempertahankan perbandingan lilitan, sedangkan nilai induktansinya besar ternyata penyaluran dayanya tidak efektif.
Terakhir kali irek di penguat linier saya meletus, saya ganti dengan IRFP 240 N dan sekalian saya coba ganti trafo T1 dengan menggunakan lilitan pada koker 8 mm.  Hasil pengukuran induktansi diperoleh lilitan primer 16 lilit dan sekunder saya coba 10 lilit dengan menggunakan kawat email 0,3 mm.  Mengapa saya pilih 10 lilit pada sekunder karena nilai CISS pada IRFP240N cukup rendah sehingga impedansinya agak tinggi.  Silahkan bereksperimen dengan jumlah lilitan sekunder ini untuk mendapatkan yang paling tepat.
Sesudah dipasang pada rangkaian ternyata BISA dan lumayan bagus, dengan kelebihan inti feritnya bisa diputar untuk mendapat kecocokan induktansi.
.

Cara melilitnya sederhana saja :
1.  Siapkan koker 8 mm inti ferit dan kawat email o,3 mm secukupnya untuk kira2 jumlah 30 lilit.
2.  Tetapkan pada kaki mana akan dibuat lilitan primer, misalnya pada sisi yg berkaki 2.  Bersihkan ujung kawat email dari lapisan isolasinya dan solderkan pada salah satu kaki koker.  Gulung sejumlah 16 lilitan arah terserah, dari bagian bawah koker ke arah atas, sesudah cukup lilitannya selipkan pada parit koker, tarik kawatnya sampai rapi dan rapat, potong kawat email dan bersihkan ujungnya dari isolator, dan solderkan pada kaki koker yang satunya.

3.  Di atas gulungan primer beri lapisan isolator, bisa berupa kertas, selotip dsb, lebar secukupnya menutupi gulungan primer.  Saya menggunakan sepotong kertas majalah yang saya gunting lebarnya menutupi gulungan primer dan panjangnya cukup untuk menutupi seluruh gulungan primer satu lingkaran penuh.  Kertas tersebut saya lilitkan menutupi gulungan primer kemudian saya kuatkan dengan selotip.

4.  Lilitan sekunder sebanyak 10 lilit, atau berapapun sesuai hasil hitungan atau eksperimen, dililit menumpuk di atas gulungan primer, dengan cara yang sama seperti ketika membuat gulungan primer.  Silahkan perhatikan foto untuk mendapat gambaran lebih detail.

 

Selamat mencoba dan melanjutkan eksperimen.

.

z