PENGUAT DAYA

Penguat Daya

Penguat (amplifier) adalah perangkat elektronik atau rangkaian yang digunakan untuk meningkatkan besarnya sinyal yang diterapkan pada inputnya.Penguat Daya atau Power Amplifier adalah istilah umum yang digunakan untuk menggambarkan rangkaian yang menghasilkan dan meningkatkan versi sinyal inputnya. Namun, tidak semua rangkaian amplifier sama, mereka diklasifikasikan sesuai dengan konfigurasi rangkaian dan mode operasi.

Ada banyak bentuk rangkaian elektronik yang digolongkan sebagai penguat (amplifier) misalnya Penguat Operasional (Op-amp) ; Penguat Sinyal Kecil ; Penguat Sinyal Besar dan Penguat Daya. Klasifikasi penguat tergantung pada ukuran sinyal, besar atau kecil, konfigurasi fisiknya dan bagaimana ia memproses sinyal input, yaitu hubungan antara sinyal input dan arus yang mengalir dalam beban.

A. Jenis atau klasifikasi Penguat (Amplifier) diberikan dalam tabel berikut.

Jenis Sinyal	Jenis Konfigurasi	Klarifikasi	Frekuensi Operasi
Sinyal Kecil	Common Emitter	Penguat Kelas A	Arus Langsung (DC)
Sinyal Besar	Common Base	Penguat Kelas B	Frekuensi Audio (AF)
	Common Collector	Penguat Kelas AB	Frekuensi Radio RF
		Penguat Kelas C	Frekuensi VFH, UHF, SHF

Penguat (amplifier) dapat dibuat dengan komponen aktif, seperti Transistor Bipolar, Transistor FET atau Penguat Operasional (Op-amp), yang memiliki dua terminal input dan dua terminal output (ground menjadi umum) dengan sinyal output yang jauh lebih besar. daripada sinyal input yang telah ada karena telah "diperkuat".

Penguat sinyal yang ideal akan memiliki tiga sifat utama:

• ·         Resistansi Input atau (R_IN)
• ·         Resistansi Output atau (R_OUT)
• ·         Gain atau ( A ).

B. Model Penguat Ideal

Besar perbedaan yang  diperkuat antara sinyal input dan output dikenal sebagai Gain dari amplifier. Gain pada dasarnya adalah ukuran seberapa besar penguat “memperkuat” sinyal input.

A= Input / Output
Contoh :

Sebuah rangkaian penguat memiliki sinyal input 1 Volt , sedangkan outputnya sebesar 50 Votl . Hitung besar penguatan pada rangkaian penguat tersebut!
Jawab

Besar penguatannya adalah (Gain) = 50 V /1 V = 50X

C. Penguatan Penguat (Gain-Amplifier)

Pengantar penguatan amplifier dapat dikatakan sebagai hubungan yang ada antara sinyal yang diukur pada output dengan sinyal yang diukur pada input.

Ada tiga jenis gain amplifier yang dapat diukur dan ini adalah: 

• Voltage Gain ( Av ), 
• Arus Gain ( Ai ) 
• Power Gain ( Ap ) 

Gain Amplifier Sinyal Input

1. Gain Amplifier Tegangan

 AV = V Output / V input

atau dalam satuan dB 

20 log V Output / V input

Gain Amplifier Arus

AI  = I Output / I input

atau dalam satuan dB 

10 log I Output / I input

Gain Amplifier Daya

Power/Daya Gain (A_p) = A_v x A_i

Perhatikan bahwa untuk Power/Daya Gain Anda juga dapat membagi daya yang diperoleh pada output dengan daya yang diperoleh pada input. Juga ketika menghitung penguatan penguat, subskrip V, I dan P digunakan untuk menunjukkan jenis penguatan sinyal yang digunakan.Gain daya (Ap) atau tingkat daya dari penguat juga dapat dinyatakan dalam Desibel, ( dB ). Bel (B) adalah unit logaritmik (basis 10) pengukuran yang tidak memiliki unit.Karena Bel terlalu besar sebagai satuan ukuran, ia diawali dengan desibel menjadikannya Desibel dan satu desibel menjadi sepersepuluh (1/10) dari Bel. Untuk menghitung gain dari penguat dalam desibel atau dB, kita dapat menggunakan ekspresi berikut.

  Tegangan Gain dalam dB: a_v = 20*log (Av)
  Arus Gain dalam dB: a_i = 20*log(Ai)
  Power/Daya Gain dalam adB: a_p = 10*log(Ap)

Perhatikan bahwa penguatan (gain) daya DC dari sebuah amplifier sama dengan sepuluh kali log umum dari rasio output ke input, sedangkan gain tegangan dan arus adalah 20 kali log umum rasio. Namun perlu dicatat, bahwa 20dB tidak memiliki daya dua kali lipat 10dB karena skala log.

Contoh soal  

1. Tentukan Penguatan (Gain) Tegangan, Arus dan Daya dari sebuah penguat (amplifier) yang memiliki sinyal input 1mA pada 10mV dan sinyal output sebesar 10mA pada 1V. Juga, nyatakan ketiga gain dalam desibel, (dB).

Jawab 

Gain Amplifier yang diberikan dalam Desibel (dB):
a_v = 20log A_v = 20log100 = 40 dB
a_i = 20log A_i = 20log10 = 20 dB
a_p = 10log A_p = 10log1000 = 30 dB
Jadi  amplifier memiliki Gain Tegangan, (Av) 100, Gain Arus, (Ai) 10 dan Gain Daya, (Ap) 1.000.

2. Sebuah penguat memiliki Daya input Di = 2 W daya output Do = 1 W. Hitunglah berapa dB perbandingan daya tersebut?

Penyelesaian:
Pengatan daya = 10 log10 Di/Do  (dB)
= 10 log10 2/1
= 10 log10 2
= 3 dB

Penguat (Amplifier) yang Ideal

Kita dapat mengetahui secara spesifik karakteristik untuk amplifier yang ideal dari diskusi kita di atas sehubungan dengan Gain-nya, yang berarti penguatan tegangan:

• Gain Amplifier, ( A ) harus tetap konstan untuk berbagai nilai sinyal input.
• Gain tidak dipengaruhi oleh frekuensi. Sinyal semua frekuensi harus diperkuat dengan jumlah yang persis sama.
• Penguat gain tidak boleh menambahkan noise ke sinyal output. Itu harus menghilangkan kebisingan yang sudah ada dalam sinyal input.
• Penguatan gain seharusnya tidak terpengaruh oleh perubahan suhu yang memberikan stabilitas suhu yang baik.
• Gain dari penguat harus tetap stabil selama periode waktu yang lama.

Kelas Penguat (Amplifier) Elektronik

Klasifikasi penguat baik sebagai tegangan atau penguat daya dibuat dengan membandingkan karakteristik sinyal input dan output dengan mengukur jumlah waktu dalam kaitannya dengan sinyal input bahwa arus mengalir dalam rangkaian output.

Kami melihat dalam tutorial Transistor Common Emitter bahwa untuk transistor untuk beroperasi dalam "Daerah Aktif" beberapa bentuk "Base Biasing" diperlukan. Tegangan Bias Base kecil ini ditambahkan ke sinyal input memungkinkan transistor untuk mereproduksi bentuk gelombang input penuh pada outputnya tanpa kehilangan sinyal.

Namun, dengan mengubah posisi tegangan bias Base ini, dimungkinkan untuk mengoperasikan amplifier dalam mode amplifikasi selain dari itu untuk reproduksi bentuk gelombang penuh.

Dengan pengantar penguat tegangan bias Base, rentang operasi dan mode operasi yang berbeda dapat diperoleh yang dikategorikan menurut klasifikasi mereka. Berbagai mode operasi ini lebih dikenal sebagai Kelas Penguat Amplifier.

Penguat amplifier daya audio diklasifikasikan dalam urutan abjad sesuai dengan konfigurasi rangkaian dan mode operasi. Amplifier ditentukan oleh kelas operasi yang berbeda seperti Penguat kelas A, kelas B, kelas C, kelas AB, dll.

Kelas-kelas penguat yang berbeda ini berkisar dari output linear dekat tetapi dengan efisiensi rendah hingga non-output linear tetapi dengan efisiensi tinggi. Tidak ada satu kelas operasi yang "lebih baik" atau "lebih buruk" daripada kelas lain dengan jenis operasi yang ditentukan oleh penggunaan rangkaian penguat.

Ada efisiensi konversi maksimum khas untuk berbagai jenis atau kelas penguat amplifier, dengan yang paling umum digunakan adalah:

• Penguat (Amplifier) Kelas A - memiliki efisiensi rendah kurang dari 40% tetapi reproduksi sinyal yang baik dan linieritas.
• Penguat (Amplifier) Kelas B - dua kali lebih efisien dari penguat kelas A dengan efisiensi teoritis maksimum sekitar 70% karena perangkat penguatan hanya melakukan (dan menggunakan daya) untuk setengah dari sinyal input.
• Penguat (Amplifier) Kelas AB - memiliki peringkat efisiensi antara penguat Kelas A dan Kelas B tetapi reproduksi sinyal lebih buruk daripada penguat Kelas A.
• Penguat (Amplifier) Kelas C - adalah kelas penguat yang paling efisien tetapi distorsi sangat tinggi karena hanya sebagian kecil dari sinyal input diperkuat sehingga sinyal output memiliki kemiripan yang sangat kecil dengan sinyal input. Tetapi penguat kelas C memiliki reproduksi sinyal terburuk.

Operasi Penguat (Amplifier) Kelas A

Operasi Penguat Kelas A adalah di mana seluruh bentuk gelombang sinyal input direproduksi dengan setia pada output penguat (amplifier) karena transistor dibiaskan dengan sempurna dalam wilayah aktifnya, sehingga tidak pernah mencapai salah satu dari daerah cut-off atau saturasinya. Ini kemudian menghasilkan sinyal input AC menjadi "terpusat" sempurna antara amplifier batas sinyal atas dan bawah seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

 Penguat (Amplifier) Kelas A

Dalam konfigurasi ini, penguat Kelas A menggunakan transistor yang sama untuk kedua bagian dari bentuk gelombang output dan karena pengaturan biasingnya, transistor output selalu memiliki arus yang mengalir melewatinya, bahkan jika tidak ada sinyal input.

Dengan kata lain transistor output tidak pernah mematikan "OFF". Hal ini menghasilkan jenis operasi penguat Kelas A yang sangat tidak efisien karena konversi daya catu DC ke daya sinyal AC yang dikirim ke beban biasanya sangat rendah.

Umumnya, output transistor dari penguat Kelas A menjadi sangat panas bahkan ketika tidak ada sinyal input sehingga diperlukan beberapa bentuk heat sinking.

Arus searah mengalir melalui transistor output ( Ic ) ketika tidak ada sinyal output yang akan sama dengan arus yang mengalir melalui beban. Kemudian penguat Kelas A sangat tidak efisien karena sebagian besar daya DC dikonversi menjadi panas.

Operasi Penguat (Amplifier) Kelas B

Tidak seperti mode penguat Kelas A yang beroperasi di atas yang menggunakan transistor tunggal untuk tahap daya outputnya, Penguat Kelas B menggunakan dua transistor bebas (baik transistor NPN dan transistor PNP atau NMOS dan PMOS) untuk setiap setengah dari bentuk gelombang output.

Satu transistor berjalan untuk setengah dari bentuk gelombang sinyal sementara yang lain melakukan untuk setengah atau berlawanan dari bentuk gelombang sinyal. Ini berarti bahwa setiap transistor menghabiskan separuh waktunya di wilayah aktif dan separuh waktunya di wilayah terputus sehingga hanya memperkuat 50% dari sinyal input.

Operasi penguat Kelas B tidak memiliki tegangan bias DC langsung seperti penguat kelas A, tetapi sebaliknya transistor hanya melakukan ketika sinyal input lebih besar dari tegangan base-emitter dan untuk perangkat silikon sekitar 0,7v.

Oleh karena itu, pada input nol ada output nol. Ini kemudian menghasilkan hanya setengah sinyal input yang disajikan pada output amplifier yang memberikan efisiensi penguat (amplifier) yang lebih besar seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dalam penguat Kelas B, tidak ada tegangan DC yang digunakan untuk bias transistor, sehingga untuk transistor output mulai berjalan setiap setengah dari bentuk gelombang, baik positif dan negatif, mereka membutuhkan tegangan base-emitter Vbe untuk menjadi lebih besar dari 0,7v diperlukan untuk transistor bipolar untuk mulai berjalan.

Maka bagian bawah dari bentuk gelombang output yang berada di bawah jendela 0.7v ini tidak akan direproduksi secara akurat sehingga menghasilkan area yang terdistorsi dari bentuk gelombang keluaran ketika satu transistor "OFF" menunggu yang lain untuk kembali "ON".

Hasilnya adalah bahwa ada bagian kecil dari gelombang output pada titik lintas tegangan nol yang akan terdistorsi. Jenis distorsi ini disebut Distorsi Crossover dan bisa dilihat kemudian pada bagian ini.

Penguat audio yang banyak ada di pasaran pada umumnya adalah penguat kelas AB. Untuk memberi prategangan pada basis emitor tidak harus dengan dioda bisa juga dengan resistor atau transistor asalkan bisa memberi tegangan untuk mengaktifkan dioda di basis emitor. Dioda digunakan untuk menghindari kenaikan temperature dan membuat tegangan bias pada dioda emitor. Untuk itu, dibutuhkan dioda dengan kurva VBE-nya mirip dengan kurva VBE transistor. Dengan menggunakan diode juga akan mengurangi crossover distortion.

Ciri-ciri penguat kelas AB diantaranya :

·         Phuspull / Transistor bekerja bergantian antara Q1 (NPN) dan Q2 (PNP).

·         Panas yang dihasilkan tidak terlalu besar

·         Efisiensi lebih besar (50% s/d 75%)

·         Tidak terjadi cacat silang(crossover)

·         Fidelitas Tinggi

·         Terjadi penggemukan sinyal pada kedua transistornya aktifnya pada saat transisi (gumming).

Tegangan Power supply +, _ dan Ground

Gambar 1: Rangkaian Penguat Push pull kelas AB

Tabel Kelas-kelas Penguat Daya (Power Amplifier)

Kelas	A	B	C	AB
Sudut Konduksi	360°	180°	Kurang dari 0°	180° sampai 360°
Titik-Q	Titik pusat dari jalur muatan	Tepat pada sumbu X	Dibawah sumbu X	Diantara sumbu X dan Pusat garis muatan
Efisiensi keseluruhan	Rendah 25 sampai 30%	Lebih baik 70 sampai 80%	Lebih tinggi dari 80%	Lebih baik daari A, tapi kurang dari B 50 sampai 70%
Distorsi sinyal	Tidak ada jika benar bias	Pada sumbu X titik crossover	Jumlah banyak	Jumlah kecil

Penguat  atau Amplifier yang dirancang dengan buruk terutama tipe penguat Kelas A juga mungkin memerlukan transistor daya yang lebih besar, pendingin lebih mahal, kipas pendingin, atau bahkan peningkatan ukuran catu daya yang diperlukan untuk memberikan daya terbuang ekstra yang dibutuhkan oleh amplifier.

Power/Daya diubah menjadi panas dari Transistor, Resistor, atau komponen lainnya dalam hal ini, membuat rangkaian elektronik apa pun tidak efisien dan akan mengakibatkan kegagalan prematur perangkat.

Jadi mengapa menggunakan penguat Kelas A jika efisiensinya kurang dari 40% dibandingkan dengan penguat Kelas B yang memiliki peringkat efisiensi lebih dari 70%. Pada dasarnya, penguat Kelas A memberikan output yang jauh lebih linear, Linearitas lebih dari respons frekuensi yang lebih besar bahkan jika ia mengkonsumsi daya DC dalam jumlah besar.

Dalam pengantar tutorial Penguat (Amplifier) ini , kita telah melihat bahwa ada berbagai jenis rangkaian penguat amplifier masing-masing dengan kelebihan dan kekurangannya sendiri.

Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat (Amplifier), kita akan melihat jenis rangkaian penguat transistor yang paling sering digunakan, yaitu Penguat Common Emitter.

Kebanyakan penguat amplifier transistor berasal dari Common Emitter atau rangkaian tipe CE karena keuntungan besar dalam tegangan, arus dan daya serta karakteristik input/output yang sangat baik.

SOAL

1. Sebutkan beberapa contoh aplikasi rangkaian penguat pada pesawat elektronik!

2. Sebuah rangkaian penguat mendapatkan  sinyal input sebesar 10 mVp-p  diumpankan pada rangkaian penguat di atas, Output pada kaki speaker diukur sebesar 10Vp-p. Berapakah besar penguatan tegangan pada rangkaian tersebut dalam satuan dB?

3. Bandingkan dan jelaskan kelebihan dan kekurangan penguat kelas A, B dan AB!

4. Gambarkan rangkaian penguat daya pusspull dengan 2 transistor!

5. Gambarkan rangkaian penguat kelas A pada aplikasi rangkaian elektronika

5

1.