Chapter 12



 

1. Pendahuluan (kembali)

Power amplifier adalah jenis amplifier yang dirancang khusus untuk menguatkan daya sinyal sehingga mampu menggerakkan beban dengan impedansi rendah, seperti speaker, dengan output daya yang besar. Berbeda dengan amplifier sinyal kecil yang hanya menguatkan tegangan atau arus sinyal lemah, power amplifier bertugas menyediakan daya yang cukup agar sinyal dapat digunakan secara efektif pada aplikasi nyata.

Menurut Boylestad dan Nashelsky, power amplifier harus memenuhi dua karakteristik utama, yaitu daya keluaran yang besar dan efisiensi yang tinggi, karena amplifier ini mengambil daya dari sumber DC dan mengubahnya menjadi daya sinyal keluaran. Efisiensi menjadi parameter penting karena sebagian daya dari sumber akan hilang sebagai panas akibat disipasi internal.

Power amplifier diklasifikasikan berdasarkan sudut konduksi transistor penguatnya selama siklus sinyal, seperti kelas A, B, AB, dan C, yang masing-masing memiliki karakteristik efisiensi, linearitas, dan distorsi yang berbeda. Kelas A misalnya, memiliki linearitas terbaik tetapi efisiensi rendah, sementara kelas B dan AB menawarkan efisiensi lebih baik dengan kompromi pada distorsi.

Dalam aplikasinya, power amplifier banyak digunakan pada sistem audio, komunikasi, dan penguat daya RF. Pemahaman mendalam tentang prinsip kerja, karakteristik, dan tipe-tipe power amplifier sangat penting untuk merancang sistem penguatan yang optimal dan sesuai kebutuhan.


2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip kerja penguatan daya sinyal listrik.

Meningkatkan kualitas suara dalam sistem audio.

Mengoptimalkan efisiensi dan distribusi daya pada perangkat penguat.

Menerapkan teknologi power amplifier dalam berbagai aplikasi elektronik.

Mengembangkan kemampuan merancang dan memperbaiki sistem audio.

Memahami karakteristik dan klasifikasi power amplifier berdasarkan kelas operasinya.


3. Alat dan Bahan (kembali)

Alat

Software Proteus


Bahan

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

 

3. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

 

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

Cara Menghitung Nilai Resistor

 

5. Op Amp

Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting).

 

6. Transistors

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.

 

7. Baterai

  Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.


4. Dasar Teori (kembali)

Fig 12.25 Class C and Class D Amplifier

Class C amplifier merupakan jenis amplifier daya di mana transistor penguat hanya konduksi selama sebagian kecil siklus sinyal input, biasanya kurang dari 180 derajat. Hal ini menyebabkan transistor bekerja dalam mode penguatan pulsasi yang sangat singkat, sehingga efisiensi power amplifier ini sangat tinggi, dapat mencapai 70 hingga 80 persen atau lebih. Namun, karena transistor hanya aktif sebagian waktu, sinyal output yang dihasilkan bersifat tidak linier dan berbentuk pulsa. Oleh karena itu, Class C amplifier biasanya digunakan pada aplikasi frekuensi tinggi seperti penguat radio frekuensi (RF amplifier) yang memerlukan daya besar tetapi toleran terhadap distorsi. Untuk menghasilkan sinyal output yang bersih dan sinusoidal, rangkaian resonansi atau tank circuit biasanya dipasang pada output amplifier ini guna mengubah pulsa menjadi gelombang sinus.

Sementara itu, Class D amplifier bekerja dengan prinsip switching, di mana transistor penguat beroperasi secara digital dalam keadaan ON (saturasi penuh) atau OFF (cut-off), sehingga hampir tidak ada daya yang hilang dalam bentuk panas. Efisiensi amplifier jenis ini sangat tinggi, sering kali melebihi 90 persen. Output dari Class D amplifier berupa sinyal pulsa lebar (pulse width modulation/PWM) yang kemudian difilter menggunakan filter low-pass untuk mendapatkan sinyal analog yang bersih. Karena efisiensi tinggi dan ukuran yang relatif kecil, Class D amplifier sangat populer dalam aplikasi audio modern, terutama pada sistem audio portabel dan perangkat dengan kebutuhan daya tinggi namun konsumsi daya rendah. Dengan mengubah lebar pulsa PWM, sinyal analog dapat direpresentasikan secara efektif, sehingga transistor hanya beroperasi sebagai saklar penuh yang meminimalkan rugi-rugi daya.

Secara umum, perbedaan utama antara Class C dan Class D amplifier terletak pada cara transistor beroperasi dan aplikasi penggunaannya. Class C amplifier memiliki sudut konduksi yang sangat kecil dan digunakan terutama pada penguatan sinyal frekuensi tinggi, sedangkan Class D amplifier menggunakan teknik switching penuh dengan efisiensi sangat tinggi dan cocok untuk penguatan sinyal audio dengan kualitas tinggi setelah proses filtering. Pemahaman tentang karakteristik dan prinsip kerja kedua jenis amplifier ini sangat penting dalam merancang sistem penguatan daya yang efisien dan sesuai dengan kebutuhan aplikasi spesifik.

 

Fig 12. 28 Series-Fed Class A Amplifier

Series-Fed Class A Amplifier adalah konfigurasi power amplifier di mana beban (biasanya resistor) dihubungkan secara seri dengan transistor penguat dan sumber tegangan catu daya (VCC). Pada amplifier kelas A, transistor selalu berada dalam kondisi aktif (konduksi penuh) sepanjang siklus sinyal input, sehingga arus kolektor mengalir terus-menerus, bahkan saat tidak ada sinyal input. Titik kerja (Q-point) transistor ditempatkan di tengah garis beban DC agar dapat menghasilkan sinyal output yang linier dan meminimalkan distorsi.

Dalam konfigurasi series-fed, arus yang mengalir melalui beban juga merupakan arus kolektor transistor. Tegangan output diambil pada beban seri tersebut, sehingga perubahan arus transistor menghasilkan perubahan tegangan output. Analisis DC dapat dilakukan dengan menggunakan hukum Kirchhoff pada loop output, menghasilkan hubungan antara tegangan catu daya (VCC), arus kolektor (IC), dan tegangan kolektor-emitor (VCE).

Salah satu karakteristik penting dari Series-Fed Class A Amplifier adalah efisiensi daya maksimum yang relatif rendah, yaitu sekitar 25%. Efisiensi ini dihitung dari perbandingan daya output AC yang disalurkan ke beban dengan daya DC yang diserap dari sumber tegangan. Efisiensi rendah ini disebabkan oleh fakta bahwa transistor terus menerus mengalirkan arus, sehingga banyak daya yang hilang sebagai panas. Meskipun demikian, amplifier kelas A ini memiliki keunggulan dalam hal linearitas dan kualitas sinyal output yang baik, sehingga sering digunakan dalam aplikasi audio yang menuntut reproduksi suara berkualitas tinggi.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Fig. 12.25

Rangkaian pada gambar terdiri dari sebuah transistor, induktor (L), kapasitor (C), Radio Frequency Choke (RFC), sumber tegangan bias negatif (-VBB), dan sumber tegangan catu daya positif (+VCC)

1. Pemberian Bias Negatif

Basis transistor dihubungkan ke -VBB melalui RFC, sehingga transistor mendapat bias negatif. Bias negatif ini membuat transistor hanya konduksi (menyalurkan arus) saat sinyal input Vi cukup besar untuk mengatasi bias tersebut. Akibatnya, transistor hanya aktif selama sebagian kecil siklus sinyal input (kurang dari 180°).

2. Pulsa Arus Kolektor

Ketika Vi melebihi ambang bias negatif, transistor konduksi dan arus kolektor mengalir dari +VCC melalui L, transistor, ke ground. Arus yang mengalir ini berbentuk pulsa-pulsa singkat pada setiap puncak siklus input.

3. Peran Induktor (L) dan Kapasitor (C)

Induktor (L) dan kapasitor (C) membentuk rangkaian resonansi (tank circuit). Pulsa arus dari transistor mengisi rangkaian LC, yang kemudian berosilasi pada frekuensi resonansinya. Rangkaian LC ini mengubah pulsa arus menjadi gelombang sinusoidal pada output (VO)

4. Peran RFC (Radio Frequency Choke)

RFC mencegah sinyal AC masuk ke sumber bias -VBB, hanya membiarkan arus DC lewat ke basis transistor.

5. Efisiensi Tinggi

Karena transistor hanya aktif dalam waktu singkat, rugi daya sangat kecil sehingga efisiensi rangkaian sangat tinggi (bisa lebih dari 70%).

6. Aplikasi

Rangkaian ini sangat cocok untuk penguat daya frekuensi tinggi (RF amplifier), seperti pada pemancar radio.

Kesimpulan:

Transistor pada rangkaian Class C amplifier hanya konduksi pada puncak sinyal input, menghasilkan pulsa arus kolektor yang kemudian diubah oleh rangkaian LC menjadi gelombang sinusoidal pada output. Efisiensi tinggi dicapai karena transistor hanya aktif sesaat dalam satu siklus.

Fig. 12.28

Rangkaian pada gambar adalah contoh Series-Fed Class A Amplifier berbasis transistor bipolar (Q2N3904). Rangkaian ini terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu sumber tegangan DC (VCC), resistor basis (RB), resistor kolektor (RC), kapasitor kopling (C1), dan sumber sinyal input.

Pemberian Tegangan Bias dan Titik Kerja

Sumber tegangan VCC (22V) memberikan suplai utama ke rangkaian.

Resistor basis (RB = 20 kΩ) mengalirkan arus bias ke basis transistor, memastikan transistor berada dalam daerah aktif.

Resistor kolektor (RC = 814Ω) dihubungkan seri antara kolektor transistor dan VCC.

Dengan pengaturan bias ini, titik kerja (Q-point) transistor ditempatkan di tengah garis beban DC, sehingga transistor selalu konduksi sepanjang siklus input.

Penguatan Sinyal Input

Sinyal input AC diberikan melalui kapasitor kopling (C1, 10μF) ke basis transistor.

Kapasitor kopling berfungsi untuk memblokir komponen DC dari sumber sinyal, sehingga hanya sinyal AC yang masuk ke basis transistor.

Penguatan dan Output

Ketika sinyal input diberikan, arus basis transistor berubah-ubah mengikuti sinyal input.

Perubahan arus basis menyebabkan perubahan arus kolektor (karena IC ≈ 𝛽IB).

Perubahan arus kolektor ini menghasilkan perubahan tegangan pada resistor kolektor (RC).

Tegangan output (VO) diambil dari kolektor transistor terhadap ground. Output ini merupakan sinyal yang diperkuat dari sinyal input.

Karakteristik Kerja

Transistor selalu dalam keadaan aktif selama siklus input, sehingga seluruh bentuk gelombang input dapat diperkuat secara linier. Rangkaian ini menghasilkan output yang linier dan distorsi sangat rendah, cocok untuk aplikasi audio. Namun, efisiensi daya rendah karena arus kolektor tetap mengalir walaupun tidak ada sinyal input, sehingga banyak daya hilang sebagai panas.

Peran Masing-Masing Komponen

VCC: Sumber tegangan utama untuk kolektor.

RB: Mengatur arus bias ke basis transistor.

RC: Tempat jatuh tegangan output, juga menentukan penguatan.

C1: Kopling sinyal AC ke basis, memblokir DC.

Q2N3904: Transistor sebagai elemen penguat utama.

6. Ringkasan [kembali]

Amplifier kelas A adalah jenis amplifier yang paling sederhana dan umum digunakan, dengan transistor yang menghantarkan arus selama seluruh siklus sinyal input (360°). Titik kerja transistor berada di tengah garis beban DC agar sinyal dapat diperkuat secara penuh dengan linearitas tinggi dan distorsi rendah. Namun, efisiensi amplifier kelas A relatif rendah, hanya sekitar 25% hingga 50%, karena transistor harus selalu aktif sehingga menghasilkan panas yang cukup besar.

Amplifier ini sangat cocok untuk aplikasi audio yang mengutamakan kualitas suara tinggi meskipun kurang efisien dalam penggunaan daya. Sebaliknya, amplifier kelas C hanya menghantarkan arus kurang dari 180°, dengan titik kerja di bawah cutoff, sehingga transistor aktif hanya sebagian kecil siklus sinyal. Hal ini membuat efisiensinya sangat tinggi, mencapai sekitar 90%, namun menghasilkan distorsi yang tinggi jika tidak menggunakan rangkaian resonansi LC untuk membentuk sinyal output menjadi gelombang sinus yang baik. Oleh karena itu, amplifier kelas C banyak digunakan pada pemancar frekuensi radio dan komunikasi.

 Sementara itu, amplifier kelas D bekerja dengan prinsip modulasi pulsa seperti PWM, di mana transistor beroperasi sebagai saklar ON/OFF sehingga efisiensinya sangat tinggi, bisa mencapai lebih dari 90%. Sinyal analog diubah menjadi pulsa digital terlebih dahulu, kemudian melalui filter low-pass untuk menghasilkan sinyal output yang halus. Keunggulan amplifier kelas D adalah efisiensi daya yang tinggi, ukuran yang kecil, konsumsi daya rendah, dan panas yang minimal, sehingga banyak digunakan pada perangkat audio modern seperti speaker aktif dan sound system lapangan. Namun, kualitas suara kelas D cenderung kurang jernih untuk frekuensi menengah dan tinggi, sehingga lebih cocok untuk menggerakkan subwoofer atau aplikasi audio berdaya besar dengan efisiensi tinggi.

Secara umum, amplifier kelas A unggul dalam kualitas suara dan linearitas, kelas C unggul dalam efisiensi untuk aplikasi frekuensi tinggi, dan kelas D menawarkan efisiensi tinggi serta desain kompak untuk aplikasi audio digital masa kini

Example

Amplifier kelas C biasanya digunakan pada aplikasi frekuensi tinggi dan RF karena efisiensinya yang tinggi walaupun dengan distorsi yang cukup besar. Contoh penggunaannya antara lain:

  1. Pemancar radio FM dan AM
  2. Penguat frekuensi pilot pada tuner radio
  3. Osilator frekuensi radio (RF oscillator)
  4. Penguat sinyal pada pemancar TV
  5. Rangkaian penguat pada komunikasi nirkabel dan radar

Amplifier kelas D banyak digunakan dalam aplikasi audio modern dan perangkat yang membutuhkan efisiensi tinggi dengan ukuran kecil. Contoh aplikasinya adalah:

  1. Amplifier audio pada speaker aktif dan sound system portabel
  2. Subwoofer aktif untuk sistem audio mobil dan home theater
  3. Penguat daya pada headphone wireless
  4. Sistem audio pada perangkat elektronik portabel seperti smartphone dan tablet
  5. Penguat daya digital untuk aplikasi industri dan komunikasi

7. Soal Latihan [kembali]

 Soal Pilihan Ganda

    1.     Pada Class D amplifier, transistor beroperasi sebagai:

        A.    Penguat linier

        B.    Saklar ON/OFF

        C.    Resistor variabel

        D.    Kapasitor

Jawaban: B

    2.     Filter yang digunakan pada output Class D amplifier adalah:

        A.    High-pass filter

        B.    Band-pass filter

        C.    Low-pass filter

        D.    Notch filter

Jawaban: C

    3.     Efisiensi Class D amplifier biasanya:

        A.    Dibawah 50%

        B.    Sekitar 60%

        C.    Lebih dari 90%

        D.    100%

Jawaban: C

    4.     Salah satu sumber distorsi pada Class D amplifier adalah:

        A.    Tegangan catu terlalu tinggi

        B.    Switching time yang lama

        C.    Arus basis kecil

        D.    Kapasitor kopling rusak

Jawaban: B

    5.     Frekuensi switching Class D amplifier biasanya berada pada rentang:

        A.    20 Hz – 20 kHz

        B.    100 kHz – 1 MHz

        C.    1 MHz – 10 MHz

        D.    10 MHz – 100 MHz

Jawaban: B                                                                                                 

8. Percobaan [kembali]

Fig. 12.25


Fig. 12.28






9. Download File [kembali]

Fig. 12.25(disini)

Fig. 12.28(disini)

Download Datasheet







Komentar

Posting Komentar

Postingan populer dari blog ini

Gambar
Bahan Presentasi  Mata Kuliah Elektronika 2024 Disusun Oleh: M. Shadiq Sulisyanto   NIM: 2410952001   Dosen Pengampu: Dr. Darwison, M.T Rizki Wahyu Pratama, S.T, M.T   Referensi: a. Darwison, 2010,” TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA”, Jilid 1, ISBN: 978-602-9081-10-7, CV Ferila, Padang b. Darwison, 2010,” TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA”, Jilid 2, ISBN: 978-602-9081-10-8, CV Ferila, Padang c. Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, Pearson, 2013 d. Jimmie J. Cathey, Theory and Problems of Electronic Device and Circuit, McGraw Hill, 2002. e. Keith Brindley, Starting Electronics, Newness 3rd Edition, 2005 f. Ian R. Sinclair and John Dunton, Practical Electronics Handbook, Newness, 2007. g. John M. Hughes, Practical Electronics: Components and Techniques, O’Reilly Media, 2016.            
Baca selengkapnya