1. Pendahuluan Amplifier

(1)

1. Pendahuluan

Amplifier adalah komponen elektronika yang dipakai untuk menguatkan daya atau tenaga secara umum. Dalam pengunaannya, amplifier akan menguatkan sinyal suara yaitu memperkuat arus (I) dan tegangan (V) listrik dari inputnya. Sedangkan outputnya akan menjadi arus listrik dengan daya yang lebih besar[1]. Pada saat ini para produsen industri di bidang audio berlomba-lomba untuk menciptakan suatu perangkat driver yang lebih kompleks dan mampu menghasilkan suara dengan sangat detail dan lebih clarity yaitu dengan cara melakukan riset pada berbagai macam kelas driver. Dimana yang dimaksud dengan clarity disini adalah kualitas suara yang dihasilkan dari power amplifier yang telah diteliti atau yang telah diimplementasikan dapat terdengar dengan lebih jelas tanpa ada noise ketika input dikecilkan maupun dibesarkan[2].

Untuk jenis power amplifier yang sangat banyak diminati adalah kelas G dan D karena memiliki efisiensi daya yang tinggi. Yang jadi permasalahan untuk saat ini adalah harga komponen driver yang lebih mahal daripada kelas AB maka diciptakan modul stepper tegangan untuk bisa menaikkan kelas driver AB menjadi kelas G. Stepper ini berfungsi sebagai kontrol Tegangan Suplai (VCC) transistor final. Pada saat power amplifier membutuhkan suplai tegangan yang tinggi dikarenakan sinyal input power amplifier semakin besar maka stepper akan mengkondisikan tegangan pada transistor final naik ke tegangan yang lebih tinggi (Hi Voltage)[3].

Driver power amplifier class AB memiliki disipasi daya yang lebih besar daripada class G dikarenakan class G memiliki efisiensi daya sebesar 60% - 80% tergantung pada jenis power supply yang digunakan diantaranya 2 step (Low Voltage – Hi Voltage) dan 3 step (Low voltage – Mid Voltage – Hi Voltage)[4] sedangkan class AB memiliki efisiensi sebesar 50%[5], dan catu daya yang konstan, bilamana class AB digunakan dalam daya yang kecil (volume kecil) dengan sifat class AB yang memiliki catu daya konstan maka banyak tegangan VCC yang terbuang sehingga tidak efisien. Sedangkan untuk class G memiliki lebih dari satu catu daya dimana catu daya tersebut terdiri dari catu daya tegangan rendah (Low Volatge) dan catu daya tegangan tinggi (Hi Voltage) dimana saat sinyal input kecil maka keluaran power amplifier akan semakin kecil. Dalam hal ini power amplifier akan bekerja pada posisi catu daya rendah (Low Voltage) dan sebaliknya[6].

Dari permasalahan diatas penulis ingin membuat sebuah rangkaian stepper yang bertujuan agar disipasi daya dari class AB dapat diminimalkan sedemikian rupa sehingga class AB dapat naik tangkat atau mendekati ke driver power amplifier class G.

2. Metode

Sistem ini dirancang menggunakan metode adaptif power supply dimana pada power amplifier diberikan sebuah driver untuk mengontrol tegangan transistor final. Driver tersebut disebut sebagai stepper. Pada driver stepper terdapat IC IR2117 yang digunakan untuk men-drive mosfet IRF3710. Pada saat power amplifier menerima sinyal input yang besar dan power amplifier juga mengeluarkan output (Vo) yang besar stepper akan mendeteksi output power amplifier, apabila power amplifier menghasilkan output (V^o) besar maka stepper akan mengkondisikan tegangan pada transistor final berada pada tegangan power suplai yang tinggi (Hi Voltage). Begitu sebaliknya, apabila stepper mendeteksi output (V^O) power amplifier kecil maka stepper akan mengkondisikan tegangan pada transistor final berada pada tegangan power suplai rendah (Low Voltage). Untuk memahami lebih lanjut

(2)

dapat dilihat pada Gambar 1. Diagram Alur untuk sistem kerja perangkat dan pada Gambar 2 untuk alur system yang direalisasikan.

Gambar 1. Diagram Alur Kerja Sistem

Gambar 2. Gambar Alur System

(3)

Rancang Bangun Stepper Suplai Power Amplifier Class G Adityo Winardi, Budihardja Murtianta, Gunawan Dewantoro

2.1. Power Supply Unit (PSU)

Pada power supply menggunakan 1 buah Trafo step-down 5A CT 45V. pada trafo tegangan output yang digunakan adalah 25V untuk tegangan suplai rendah (Low Voltage) dan 45V untuk tegangan suplai tinggi (Hi Voltage). Untuk proses penyearah, power suplai ini menggunakan 2 buah dioda bridge dan 4 buah elko untuk mengkonversi tegangan AC menjadi DC. Skema Power Supply 2 step dapat dilihat seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Skema Power Suplai 2 Step

2.2. Driver Stepper

Driver stepper menggunakan 2 buah IC IR2117 yang digunakan untuk men-drive 2 buah mosfet IRF3710. Driver mosfet tersebut menerima input triger dari keluaran power amplifier.

Apabila output (V^O) power amplifier belum melewati batas tegangan threshold (Low Voltage) maka stepper berada dalam kondisi tidak aktif dan stepper memberikan tegangan suplai rendah pada transistor final. Sebaliknya apabila output (VO) power amplifier melewati batas tegangan threshold (Low Voltage) maka stepper berada dalam posisi aktif dan memberikan suplai tegangan tinggi (Hi Voltage) pada transistor final. Skema rangkaian stepper dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Skema Stepper

- Hi Voltage - Low Voltage

CT (Ground) + Low Volatge + Hi Voltage

45V 25V CT 25V 45V

+ C4

10000uF

+ C3

10000uF

+ C2

10000uF

+ C1

10000uF

BRIDGED2 BRIDGED1

(4)

2.3. Driver OCL Class AB

Driver class AB merupakan perpaduan dari driver yang telah di ciptakan terlebih dahulu yaitu Class A dan Class B[7]. Power Amplifier Class A diakui mempunyai mutu suara sangat detail dan juga jernih tetapi mempunyai kekurangan yaitu lebih cepat panas sehingga tidak efisien[8] dan kurang sesuai untuk power amplifier berdaya besar.

Sedangkan power amplifier Class B mempunyai konfigurasi push-pull, dimana lebih efektif serta lebih dingin daripada Class A.Tetapi harus mengorbankan dengan adanya cacat crossover yang cukup signifikan[9] sehingga diciptalah power amplifier Class AB yang merupakan gabungan dari 2 jenis Class A dan Class B. Class AB yang paling umum ditemukan adalah driver OCL (Output Capacitor Less = keluaran tanpa kapasitor)[10], yaitu rangkaian amplifier yang memiliki skema rangkaian dari transistor/IC penguat final langsung ke speaker (tanpa perantara apapun). Umumnya tegangan suplai amplifier ini simetris yaitu + (positif), 0 (ground), – (negatif). Fungsi dari driver tersebut adalah untuk men-drive transistor final yang akan digunakan untuk memperkuat daya dari sinyal input.

Pada driver diberikan 2 set transistor final yaitu 2SC5200 (NPN) dan 2SA1943 (PNP).

Rangkaian driver OCL dapat dilihat seperti pada Gambar 5 berikut.

Gambar 5. Rangkaian Driver Class AB

Bias -

Bias + 2N3634Q3 D2

DIODE

DIODED1

1N4148D3

+

V2 60V

+

60VV1

AC V 565.6mV

+C13

100uF

+C12

100uF

AC V 29.00 V

DC V -63.33mV

Q2 2N3055 2N2955Q1

+

10000uFC11

+

10000uFC10

D7 1N4744 1N4744D6

R25 50k 9%

+ C9 1uF +

TL072U1 +

C8 1uF

1kHz -800m/800mVV4

Q11 2N3634

2N3634Q10 C7

100nF

2N3055Q5 2N2955Q4

D5 1N4148 D4 1N4148 C6

100pF

+

C5 100uF

Q8 ECG291 ECG292Q7 ECG291Q6

+

100uFC4

+

C3 100uF

+C2

100uF C1

100nF 680R4

SPK14 R19

0.5 R18 0.5

R17 0.5 R16 0.5

R28 10k

R272k R26 2k

R2447k R2347k

R2210k R21 10k R2047k

R3 R2 30k 100k

R7 10 R14

330

R134k7

2200R11 R10 100

100R9 560R8

30kR6 330R5

R1 330

(5)

3. Hasil dan Pembahasan

Berikut ini adalah gambar bentuk realisasi alat yang di Rancang. Rangkaian keseluruhan alat dapa disajikan seperti yang ditunjukan pada gambar 6.

Gambar 6. Realisasi Alat

3.1 Pengujian Power Supply Unit (PSU)

Setelah perakitan power supply unit selesai, dilakukan pengukuran output tegangan DC dengan menggunakan multimeter. Berikut ini hasil pengukuran tegangan output DC pada power supply unit terdapat pada Tabel 1.

Berdasarkan hasil dari Tabel 1. Hasil ukur tegangan output PSU diatas, tegangan output power supply terdiri dari 2 step, step 1 adalah 25VAC dan step 2 adalah 45VAC. Step 1 digunakan untuk tegangan rendah (Low Voltage) dan step 2 digunakan untuk tegangan tinggi (Hi Voltage). Seperti pada gambar 7.

Gambar 7. Rangkaian Power Supply 2 Step.

Tabel 1. Hasil Ukur Tegangan Output PSU

Tabel Keluaran Power Supply Unit Output Trafo Output DC + Output DC -

25VAC-CT 34,5VDC 34,5VDC 45VAC-CT 62VDC 62VDC

(6)

3.2 Rangkaian Stepper

Rangkaian stepper yang berfungsi untuk memindah (swicthing) tegangan dari Low Voltage ke Hi Voltage ataupun sebaliknya. Rangkaian stepper ini menerina sumber tegangan dari power supply sebelum di distribusikan ke transistor final. Rangkaian stepper menerima triger dari output power amplifier. Pada driver stepper ini menggunakan 2 buah IC IR2117 untuk men-drive 2 buah mosfet IRF3710 dan dilengkapi lampu LED, apabila LED tidak hidup menandakan stepper dalam kondisi tidak aktif, apabila LED menyala menandakan stepper dalam kondisi aktif. Rangkain jadi stepper dapat disajikan seperti pada Gambar 8.

Gambar 8. Rangkaian Stepper

3.3 Rangkaian Driver Class AB (OCL)

Driver class AB merupakan gabungan dari driver yang telah di ciptakan dahulu yaitu kelas A serta kelas B. Power amplifier Class A memang mempunyai hasil suara sangat detail dan jernih tetapi mempunyai kekurangan yaitu lebih cepat panas sehingga kurang sesuai untuk digunakan sebagai power amplifier berdaya besar. Sedangkan amplifier Class B mempunyai konfigurasi push-pull, dimana dinilai lebih efektif serta lebih dingin daripada kelas A tetapi harus mengorbankan dengan adanya cacat crossover sehingga diciptalah power amplifier Class AB yang merupakan gabungan dari 2 jenis power amplifier kelas A dan kelas B tadi sehingga jadi kelas AB[11]. Fungsi dari driver tersebut adalah untuk men-drive transistor final yang akan digunakan untuk memperkuat daya dari sinyal yang di input.

Pada driver diberikan 2 set transistor final yaitu 2SC5200 (NPN) dan 2SA1943 (PNP).

Rangkaian driver class AB dapat dilihat seperti pada Gambar 9.

Gambar 9. Driver Class AB

(7)

3.4 Hasil Percobaan Sistem

Berikut ini terdapat beberapa hasil percobaan yang dilakukan.

3.4.1 Driver Class AB dengan Stepper Kondisi Tidak Aktif

Pada percobaan ini power amplifier diberi input berupa sinyal Sinus dengan frequensi 1kHz dan amplitudo yang disesuiakan ketika output (VO) belum melewati batas tegangan rendah (Low Voltage). Gambar output (VO) dan tegangan (VCC) dapat dilihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Output Power Amplifier

Garis Biru = Output Power Amplifier (VO) Garis Kuning = Tegangan VCC Transistor Final

Dalam kondisi stepper tidak aktif, power amplifier menghasilkan tegangan pada beban sebesar 18,2V^RMSdan arus pada beban sebesar 1,97 ampere (A) dan daya yang digunakan untuk power amplifier memperkuat sinyal input adalah 91,3 Watt. Untuk hasil pengukuran output (V^O), Arus (I) dan Daya yang diserap (P^S) dapat dilihat pada Gambar 11, Gambar 12, dan Gambar 13.

Gambar 11. Tegangan Output (Vo)

Gambar 12. Arus Pada Beban

Gambar 13. Daya Serap (Ps)

(8)

Untuk penghitungan daya power amplifier (P^O) dapat dihitung menggunakan rumus Persamaan PO = VO × IL maka PO = 18,2V × 1,97A = 35,8 Watt dari perhitungan tersebut didapatkan hasil daya power amplifier sebesar 35,8 Watt pada beban 8Ω. Untuk efisiensi daya dapat dihitung menggunakan Persamaan

𝐸𝑓𝑓 = 𝑃o

𝑃s × 100%

(1)

Eff = Efisiensi PO = Daya Output PS = Daya Serap

Dari Persamaan 1 didapatkan hasil efisiensi untuk power amplifier class AB pada saat stepper tidak aktif adalah sebesar 39,2%.

3.4.2 Driver Class AB dengan Stepper Kondisi Aktif

Pada percobaan ini power amplifier diberi input berupa sinyal Sinus dengan frekuensi 1kHz dan amplitudo yang disesuiakan ketika output (VO) melewati batas tegangan rendah (Low Voltage). Gambar output (V^O) dan tegangan (VCC) dapat dilihat pada Gambar 14.

Gambar 14. Output Power Amplifier (Vo)

Garis Biru = Output Power Amplifier (V^O) Garis Kuning = Tegangan VCC Transistor Final

Dalam kondisi aktif, power amplifier menghasilkan tegangan pada beban sebesar 38,6V^RMS dan arus pada beban sebesar 4,146 ampere (A) dan daya yang digunakan untuk power amplifier memperkuat sinyal input adalah 234,2 Watt. Untuk hasil pengukuran output (V^O), Arus (I) dan Daya yang diserap (PS) dapat dilihat pada Gambar 15, Gambar 16, dan Gambar 17.

(9)

Untuk penghitungan daya power amplifier (P^O) dapat dihitung menggunakan rumus Persamaan PO = VO × IL (2) maka PO = 38,6V × 4,146A = 160 Watt dari perhitungan Persamaan 2 tersebut didapatkan hasil daya power amplifier sebesar 160 Watt pada beban 8Ω. Untuk efisiensi daya dapat dihitung menggunakan Persamaan

𝐸𝑓𝑓 = 𝑃o

𝑃s × 100%

(2)

Dari Persamaan 2 didapatkan hasil efisiensi untuk power amplifier class AB pada saat stepper dalam kondisi aktif adalah sebesar 68,3%.

3.4.3 Driver Class AB Tanpa Stepper

Pada percobaan ini power amplifier diberi input berupa sinyal Sinus dengan frequensi 1kHz dan amplitudo disesuaikan ketika output (VO) hampir terjadi cacat (clipping). Gambar output (VO) dan tegangan (VCC) dapat dilihat pada Gambar 18.

Gambar 15. Output (Vo) Gambar 16. Arus Pada Beban Gambar 17. Daya Serap (Ps)

Gambar 18. Output Amplifier Class AB

(10)

Garis Biru = Output Power Amplifier (V^O) Garis Kuning = Tegangan VCC Transistor Final

Dalam kondisi ini, power amplifier disuplai tegangan konstan (Class AB). Power amplifier menghasilkan tegangan pada beban sebesar 36VRMS dan arus pada beban sebesar 3,962 ampere (A) dan daya yang digunakan untuk power amplifier memperkuat sinyal input adalah 262,5 Watt. Untuk hasil pengukuran output (V^O), Arus (I) dan Daya yang diserap (P^S) dapat dilihat pada Gambar 19, Gambar 20, dan Gambar 21..

Untuk penghitungan daya power amplifier (P^O) dapat dihitung menggunakan rumus Persamaan PO = VO × IL (3) maka PO = 36V × 3,962A

= 142,6 Watt dari perhitungan Persamaan 3 tersebut didapatkan hasil daya power amplifier sebesar 142,6 Watt pada beban 8Ω. Untuk efisiensi daya dapat dihitung menggunakan Persamaan

𝐸𝑓𝑓 = 𝑃o

𝑃s × 100% (3)

Dari Persamaan 3 didapatkan hasil efisiensi untuk power amplifier class AB adalah sebesar 54,3%.

Gambar 19. Output (Vo) Gambar 20. Arus Pada Beban Gambar 21. Daya Serap (Ps)

(11)

Berdasarkan beberapa hasil percobaan diatas dapat diketahui bahwa power amplifier dengan penambahan stepper memiliki efisiensi daya lebih besar daripada power amplifier tanpa stepper. Hal ini dikarenakan power amplifier dengan penambahan stepper hanya menggunakan catu daya yang besar pada saat keluaran power amplifier (VO) juga besar dan pada saat keluaran power amplifier kecil maka stepper akan mengkondisikan power amplifier berada pada catu daya yang rendah. Hasil uji dapat dilihat melalui tabel hasil pengujian seperti Tabel 2 berikut ini.

Tabel 2. Hasil Pengujian

Stepper Vo I^Load P^O Ps Efisiensi

Aktif 38,6 V 4,146 A 160 W 234.2 W 68,30%

Tidak Aktif 18,2 V 1,971 A 34,5 W 91,3 W 37,00%

Tidak Ada 36 V 3,962 A 142 W 262,5 W 54%

3.5 Pembahasan.

Pada percobaan 3.4.1, rangkaian sistem power amplifier diberikan dua catu daya dan keluaran dari semua catu daya akan di pusatkan pada rangkaian stepper. Rangkaian stepper ini berfungsi untuk mengontrol tegangan pada transistor final. Pada percobaan tersebut power amplifier diberikan input sebuah sinyal sinusoida pada frekuensi 1kHz dan dengan amplitudo yang ditentukan. Pada percobaan ini power amplifier diuji pada saat kondisi stepper tidak aktif dan didapatkan data seperti yang tertera pada Gambar 8, Gambar 9, Gambar 10, dan Gambar 11. Pada kondisi ini power amplifier berada pada kelas AB (Class AB Mode).

Pada percobaan 3.4.2, power amplifier diberikan sinyal input sinusoida pada frekuensi 1kHz dengan level amplitudo yang lebih tinggi sehingga menghasilkan output (VO) yang lebih besar daripada sebelumnya (Percobaan 3.4.1). Pada kondisi ini stepper bekerja menaikkan tegangan transistor final pada power amplifier. Pada saat keluaran power amplifier mendekati batas tegangan rendah (Low Voltage) maka stepper akan menaikkan tegangan sampai batas waktu tertentu dimana stepper mendeteksi keluaran power amplifier mulai turun mendekati batas tegangan rendah dan ketika keluaran power amplifier berada pada batas tegangan rendah maka stepper akan menurunkan tegangan pada transistor final.

Seperti pada Gambar 12, Gambar 13, Gambar 14, dan Gambar 15. Pada kondisi ini power amplifier berada pada kelas G (Class G Mode).

Pada percobaan 3.4.3, power amplifier diberikan catu daya konstan seperti power amplifier Class AB pada umumnya. Sistem diberikan input sinyal sinusoida dengan frekuensi 1khz dan amplitudo yang disesuaikan ketika keluaran power amplifier (VO) hampir mendekati cacat (clipping). Didapatkan hasil seperti pada Gambar 16, Gambar 17, Gambar 18 dan Gambar 19. Pada kondisi ini power amplifier di fungsikan sebagai penguat kelas AB (tanpa penambahan stepper).

(12)

4. Kesimpulan

Berdasarkan hasil pengujian didapatkan hasil daya output power amplifier pada saat stepper dalam kondisi tidak aktif adalah 34,5 Watt pada beban 8Ω, efisiensi daya sebesar 37% dan untuk output (Vo) belum melebihi 34,7VDC (batas tegangan Low Voltage). Pada kondisi ini power amplifier masih dalam kelas AB karena stepper belum bekerja.

Ketika stepper dalam kondisi aktif didapatkan hasil daya output power amplifier sebesar 160 Watt pada beban 8Ω, efisiensi daya sebesar 68,3% dan untuk output (Vo) sudah melebihi 34,7VDC (batas tegangan Low Voltage). Pada kondisi ini stepper berada dalam kondisi aktif dan stepper mensuplai tegangan tinggi (Hi Voltage) ke transistor final sehingga pada kondisi ini driver power amplifier bisa naik kelas dari AB menjadi kelas G karena tegangan yang disuplai ke transistor final sudah naik dari tegangan rendah (Low Voltage) menjadi tegangan tinggi (Hi Voltage) dengan dikontrol oleh rangkaian stepper.

Sedangkan power amplifier tanpa stepper (Satu Catu Daya Simetris) tidak lebih efisien daripada menggunakan stepper dikarenakan driver power amplifier sepenuhnya menggunakan tegangan secara konstan mulai dari penguatan paling kecil hingga penguatan paling besar power amplifier tanpa stepper (Class AB) hanya mengandalkan satu catu daya dan bisa berakibat pada terbuangnya daya pada proses penguatan terjadi.

Power amplifier dengan penambahan stepper tegangan lebih efisien daripada tanpa menggunakan stepper dikarenakan power amplifier dengan stepper menggunakan dua catu daya simetris yaitu Low Volatge dan Hi Voltage dimana dua catu daya tersebut dikontrol oleh stepper sebelum disuplai ke transistor final. pada saat output power amplifier kecil maka stepper akan mensuplai catu daya rendah (Low Voltage) ke transistor final dan catu daya tegangan tinggi (Hi Voltage) tidak digunakan. Ketika output power amplifier besar maka stepper akan menaikkan tegangan yang tadinya berada di tegangan rendah (Low Volatge) menjadi tegangan tinggi (Hi Voltage).