MAKALAH
PENGUAT DAYA
Makalah ini untuk memenuhi tugas mata kuliah Elektronika Komunikasi
Disusun oleh:
Shintya Yosvine Monro 111090109
FAKULTAS ELEKTRO DAN KOMUNIKASI INSTITUT TEKNOLOGI TELKOM
BANDUNG 2012
A.PENGERTIAN PENGUAT DAYA
Penguat secara harfiah diartikan dengan sistem yang membuat jadi kuat. Dalam bidang elektronika, penguat adalah sistem yang memperbesar dan menguatkan amplitudo sinyal input. Penguat daya yaitu penguat yang menguatkan daya dari sinyal masukan. Pada kenyataannya semua penguat adalah penguat daya karena tegangan tidak akan ada tanpa adanya daya kecuali jika impedansinya tak terhingga.
Ada kalanya sinyal input yang dikuatkan kemudian terdistorsi karena berbagai sebab, sehingga bentuk sinyal keluarannya menjadi cacat. Dari sinilah muncul istilah fidelity yang menunjukkan seberapa mirip sinyal input yang dikuatkan dengan sinyal keluarannya.
Sistem penguat dikatakan memiliki fidelitas yang tinggi (highfidelity), jika sistem tersebut mampu menghasilkan sinyal keluaran yang bentuknya persis sama dengan sinyal input. Di sisi lain, efisiensi juga harus diperhatikan. Efisiensi dinyatakan dengan besaran persentase dari power output dibandingkan dengan power input. Sistem penguat dikatakan memiliki tingkat efisiensi tinggi (100 %) jika tidak ada rugi-rugi pada proses penguatannya yang terbuang menjadi panas. Beberapa hal yang perlu diperhatikan saat praktikum nanti adalah kita bermain pada frekuensi tinggi yaitu frekuensi FM, sehingga untuk mendapatkan sinyal yang cukup bagus harus disesuaikan dengan impedansi matchingnya.
B.JENIS-JENIS PENGUAT DAYA
Dalam elektronika banyak sekali dijumpai jenis penguat, pengelompokkan dapat berdasarkan: 1. rentang frekuensi operasi,
a. gelombang lebar (seperti: penguat audio, video, rf dll) b. gelombang sempit (seperti tuned amplifier).
2. metoda pemasangan rangkaian,
a. pemasangan AC : semua komponen frekuensi rendah (termasuk dc) tidak diteruskan ke rangkaian penguat
b. pemasangan DC : salah satu tipenya adalah penguat chopper, sinyal input terbelah menjadi seri pulsa kemudian diperkuat oleh penguat ac sebelum dikembalikan lagi ke level dc.
3. titik bias pada penguat: kelas A, kelas B, kelas AB dan kelas C 4. tegangan
5. arus 6. daya
Berdasarkan dengan tipe pembiasan yang dilakukan oleh penguat, dapat dikelompokkan menjadi:
1. kelas A : Titik kerja diatur agar seluruh fasa sinyal input diatur sedemikian rupa sehingga seluruh fasa arus output selalu mengalir. Penguat ini beroperasi pada daerah linear.
2. kelas B : Titik kerja diatur pada suatu sisi ekstrim saja, sehingga daya quiescent sangat kecil. Untuk sinyal input sinusoida, penguatan hanya terjadi pada setengah perioda sinyal input saja.
3. kelas C : Titik kerja diatur beropersi untuk arus (tegangan) output sama dengan nol dengan selang lebih besar dari setengah siklus sinus. Sehingga penguat bekerja kurang dari setengah perioda sinyal input.
Namun pada kali ini kita tidak membahas tentang penguat kelas A/B/C , melainkan penguat daya selain kelas A/B/C, seperti penguat daya kelas AB/D/G/T/E.
B.1 PENGUAT KELAS AB
Cara lain untuk mengatasi cross-over adalah dengan menggeser sedikit titik Q pada garis beban dari titik B ke titik AB (gambar-5). Ini tujuannya tidak lain adalah agar pada saat transisi sinyal dari phase positif ke phase negatif dan sebaliknya, terjadi overlap diantara transistor Q1 dan Q2. Pada saat itu, transistor Q1 masih aktif sementara transistor Q2 mulai aktif dan demikian juga pada phase sebaliknya. Penguat kelas AB merupakan kompromi antara efesiensi (sekitar 50% - 75%) dengan mempertahankan fidelitas sinyal keluaran.
Gambar 1. Overlaping sinyal keluaran penguat kelas AB
Ada beberapa teknik yang sering dipakai untuk menggeser titik Q sedikit di atas daerah cut-off. Salah satu contohnya adalah seperti gambar-9 berikut ini. Resistor R2 di sini berfungsi untuk memberi tegangan jepit antara base transistor Q1 dan Q2. Pembaca dapat menentukan berapa nilai R2 ini untuk memberikan arus bias tertentu bagi kedua transistor. Tegangan jepit pada R2 dihitung dari pembagi tegangan R1, R2 dan R3 dengan rumus VR2 = (2VCC) R2/ (R1+R2+R3). Lalu tentukan arus base dan lihat relasinya dengan arus Ic dan Ie sehingga dapat dihitung relasiny dengan tegangan jepit R2 dari rumus VR2 = 2x0.7 + Ie(Re1 + Re2). Penguat kelas AB ternyata punya masalah dengan teknik ini, sebab akan terjadi peng-gemukan sinyal pada kedua transistornya aktif ketika saat transisi. Masalah ini disebut dengan gumming.
Gambar 2. Rangkaian dasar penguat kelas AB
Untuk menghindari masalah gumming ini, ternyata sang insinyur (yang mungkin saja bukan seorang insinyur) tidak kehilangan akal. Maka dibuatlah teknik yang hanya mengaktifkan salah satu transistor saja pada saat transisi. Caranya adalah dengan membuat salah satu transistornya bekerja pada kelas AB dan satu lainnya bekerja pada kelas B. Teknik ini bisa dengan memberi bias konstan pada salah satu transistornya yang bekerja pada kelas AB (biasanya selalu yang PNP). Caranya dengan menganjal base transistor tersebut menggunakan deretan dioda atau susunan satu transistor aktif. Maka kadang penguat seperti ini disebut juga dengan penguat kelas AB plus B atau bisa saja diklaim sebagai kelas AB saja atau kelas B karena dasarnya adalah PA kelas B. Penyebutan ini tergantung dari bagaimana produk amplifier anda mau diiklankan. Karena penguat kelas AB terlanjur memiliki konotasi lebih baik dari kelas A dan B. Namun yang penting adalah dengan teknik-teknik ini tujuan untuk mendapatkan efisiensi dan fidelitas yang lebih baik dapat terpenuhi.
Karakteristik penguat daya kelas AB:
Letak titik Q berada diantara penguat kalas A dan B. Linearitas paling jelek
Efisiensi sekitar 75%
Terdapat pemotongan sinyal < 180
Untuk mencegah pemotongan sinyal dilakukan konfigurasi push-pull Pada penguat push-pull terjadi fenomena gumming (penggemukan sinyal) B.2. PENGUAT KELAS D
Penguat kelas-D adalah sebuah penguat elektronik yang menggunakan pensakelaran transistor sebagai metoda utama untuk memberikan daya keluaran, tidak seperti penguat linier kelas-A, kelas-B, ataupun kelas-AB yang menggunakan resistansi aktif dari transistor. Oleh karena itu, penguat ini memiliki efisiensi daya yang lebih tinggi, dengan hasil tambahan berupa pengurangan benaman bahang yang dibutuhkan. Filter LC lulus bawah menghaluskan pulsa-pulsa keluaran pada beban.
Penguat kelas D menggunakan teknik PWM (pulse width modulation), dimana lebar dari pulsa ini proporsional terhadap amplituda sinyal input. Pada tingkat akhir, sinyal PWM men-drive transistor switching ON dan OFF sesuai dengan lebar pulsanya. Transistor switching yang digunakan biasanya adalah transistor jenis FET. Konsep penguat kelas D ditunjukkan pada gambar 3. Teknik sampling pada sistem penguat kelas D memerlukan sebuah generator gelombang segitiga dan komparator untuk menghasilkan sinyal PWM yang proporsional terhadap amplituda sinyal input. Pola sinyal PWM hasil dari teknik sampling ini seperti digambarkan pada gambar 4. Paling akhir diperlukan filter untuk meningkatkan fidelitas.
Gambar 3. Konsep penguat kelas D
Gambar 4. Ilustrasi modulasi PWM penguat kelas D
Beberapa produsen pembuat PA meng-klaim penguat kelas D produksinya sebagai penguat digital. Secara kebetulan notasi D dapat diartikan menjadi Digital. Sebenarnya bukanlah persis demikian, sebab proses digital mestinya mengandung proses manipulasi sederetan bit-bit yang pada akhirnya ada proses konversi digital ke analog (DAC) atau ke PWM. Kalaupun mau disebut digital, penguat kelas D adalah penguat digital 1 bit (on atau off saja).
Dengan mengesampingkan kerumitan yang dibutuhkan, penguat kelas-D memberikan keuntungan berupa:
Efisiensi daya yang tinggi (mencapai ≥90%) Pengurangan ukuran dan berat penguat. Pengurangan borosan daya sebagai bahang.
Pengurangan ukuran benaman bahang (karena efisiensinya yang tinggi)
Efisiensi penguat kelas-D yang tinggi berasal dari kenyataan bahwa tingkat keluaran tidak pernah beroperasi pada keadaan linier atau aktif. Keluaran penguat kelas-D hanya terdiri dari keadaan HIDUP atau MATI. Ketika peranti hidup, arus yang mengalirinya maksimum, tetapi tegangan yang membentanginya idealnya nol, dan ketika peranti mati, tegangan yang membentanginya maksimal, tetapi arus yang mengalirinya nol. Karena borosan daya ditentukan
dengan rumus Templat:Nowrap:''D''=''V''x''I'', pada kedua keadaan di atas, borosan daya adalah nol. Semua perhitungan di atas berdasarkan anggapan peranti ideal. Pada kenyataannya, selalu ada kerugian, baik karena kebocoran, penurunan tegangan, kecepatan pensakelaran, dan lain sebagainya. Tetapi itu semua terlalu kecil sehingga efisiensi tetap sangat tinggi.
Penguat jenis ini memberikan keluaran yang mengandung banyak desah harmonik dikarenakan modulasi lebar pulsa. Untuk memperbaiki keluaran, ini dapat difilter dengan menggunakan komponen yang semuanya reaktif (hanya kondensator dan induktor) dimana komponen tersebut menyimpan daya dari desah harmonik, tidak mengubahnya menjadi bahang, sehingga efisiensi dapat dipertahankan tetap tinggi.
B.3. PENGUAT DAYA KELAS E
Penguat kelas E pertama kali dipublikasikan oleh pasangan ayah dan anak Nathan D dan Alan D Sokal tahun 1972. Dengan struktur yang mirip seperti penguat kelas C, penguat kelas E memerlukan rangkaian resonansi L/C dengan transistor yang hanya bekerja kurang dari setengah duty cycle. Bedanya, transistor kelas C bekerja di daerah aktif (linier). Sedangkan pada penguat kelas E, transistor bekerja sebagai switching transistor seperti pada penguat kelas D. Biasanya transistor yang digunakan adalah transistor jenis FET. Karena menggunakan transistor jenis FET (MOSFET/CMOS), penguat ini menjadi efisien dan cocok untuk aplikasi yang memerlukan drive arus yang besar namun dengan arus input yang sangat kecil. Bahkan dengan level arus dan tegangan logik pun sudah bisa membuat transitor switching tersebut bekerja. Karena dikenal efisien dan dapat dibuat dalam satu chip IC serta dengan disipasi panas yang relatif kecil, penguat kelas E banyak diaplikasikan pada peralatan transmisi mobile semisal telepon genggam. Di sini antena adalah bagian dari rangkaian resonansinya.
B.4. PENGUAT DAYA KELAS T
Penguat kelas T bisa jadi disebut sebagai penguat digital. Tripath Technology membuat desain digital amplifier dengan metode yang mereka namakan Digital Power Processing (DPP). Mungkin terinspirasi dari PA kelas D, rangkaian akhirnya menggunakan konsep modulasi PWM dengan switching transistor serta filter. Pada penguat kelas D, proses dibelakangnnya adalah proses analog. Sedangkan pada penguat kelas T, proses sebelumnya adalah manipulasi bit-bit digital. Di dalamnya ada audio prosesor dengan proses umpanbalik yang juga digital untuk koreksi timing delay dan phase.
B.5. PENGUAT DAYA KELAS G
Kelas G tergolong penguat analog yang tujuannya untuk memperbaiki efesiensi dari penguat kelas B/AB. Pada kelas B/AB, tegangan supply hanya ada satu pasang yang sering dinotasikan sebagai +VCC dan –VEE misalnya +12V dan –12V (atau ditulis dengan +/-12volt). Pada penguat kelas G, tegangan supply-nya dibuat bertingkat. Terutama untuk aplikasi yang membutuhkan power dengan tegangan yang tinggi, agar efisien tegangan supplynya ada 2 atau 3 pasang yang berbeda. Misalnya ada tegangan supply +/-70 volt, +/-50 volt dan +/-20
volt. Konsep ranagkaian PA kelas G seperti pada gambar-13. Sebagai contoh, untuk alunan suara yang lembut dan rendah, yang aktif adalah pasangan tegangan supply +/-20 volt. Kemudian jika diperlukan untuk men-drive suara yang keras, tegangan supply dapat di-switch ke pasangan tegangan supply maksimum +/-70 volt.
