Chapter 12 : Power Amplifiers

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat Dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

    a). Prosedur

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

    c). Video simulasi

6. Download File

1. Pendahuluan[Back]

        Power amplifier merupakan bagian akhir dari sistem penguat sinyal yang berfungsi untuk memperbesar daya sehingga mampu menggerakkan beban seperti speaker, aktuator, atau perangkat keluaran lainnya. Tidak seperti penguat sinyal kecil yang hanya memperbesar tegangan, power amplifier difokuskan pada kemampuan untuk mengalirkan arus besar dengan efisiensi tinggi. Salah satu konfigurasi umum dalam power amplifier adalah push-pull, yaitu teknik di mana dua transistor bekerja secara bergantian untuk menguatkan bagian positif dan negatif dari sinyal input. Konfigurasi ini banyak digunakan untuk mengurangi distorsi harmonik dan meningkatkan efisiensi daya. Beberapa jenis rangkaian yang umum digunakan dalam implementasi push-pull amplifier antara lain Transformer Coupled Push-Pull Circuit, Complementary Symmetry Circuit, dan Quasi-Complementary Push-Pull Amplifier. Ketiga jenis ini memiliki prinsip kerja, keunggulan, dan kelemahan yang berbeda sesuai dengan kebutuhan aplikasi praktis.

2. Tujuan[Back]

1. Memahami prinsip kerja dasar dari rangkaian push-pull amplifier dalam penguat daya.
2. Menganalisis dan membandingkan kinerja antara transformer coupled, complementary symmetry, dan quasi-complementary push-pull amplifier.
3. Menunjukkan bagaimana dua transistor dapat bekerja bergantian untuk menguatkan sinyal AC secara efisien.
4. Mengamati pengaruh penggunaan transformator, pasangan transistor NPN–PNP, serta konfigurasi alternatif quasi-complementary terhadap keluaran sinyal dan efisiensi daya.
5. Meningkatkan pemahaman terhadap pemilihan konfigurasi amplifier sesuai kebutuhan beban dan sumber daya dalam aplikasi elektronika praktis.

3. Alat dan Bahan[Back]

•  Alat :

• AC dan DC Generator

        Generator AC (Alternator) dan DC memiliki fungsi utama yang sama yaitu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, tetapi mereka melakukannya dengan cara yang berbeda. Generator AC menghasilkan arus bolak balik, di mana arah arus berubah secara periodik karena perubahan posisi relatif antara medan magnet dan kumparan konduktor, dan biasanya digunakan dalam distribusi daya skala besar seperti di jaringan listik umum. Di sisi lain, generator DC menghasilkan arus searah, di mana arus mengalir dalam satu arah tetap, dan lebih sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan arus stabil, seperti perangkat elektronik stabil dan pengisian baterai. 

• Voltmeter 

        Voltmeter adalah alat pengukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik atau perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik. Fungsinya adalah untuk memberikan nilai tegangan atau potensial listrik pada komponen atau rangkaian tertentu, sehingga memungkinkan pengguna untuk memonitor atau mengukur kekuatan listrik yang ada dalam sistem tersebut.

• Bahan : 

• Operasional Amplifier

        Operational Amplifier (Op Amp) adalah jenis amplifier elektronik yang memiliki banyak aplikasi dalam elektronika. Op Amp memiliki dua input dan satu output, di mana perbedaan tegangan antara kedua inputnya digunakan untuk mengontrol gain atau penguatan sinyal yang dikeluarkan pada outputnya. Op Amp umumnya digunakan dalam rangkaian pemrosesan sinyal, pengaturan tegangan, filter, dan banyak aplikasi lainnya dalam perangkat elektronik modern.

Karakteristik utama IC Operational Amplifier (Op Amp) :

1. Penguatan Tegangan Open-loop (Av = ∞): Secara ideal, Op Amp memiliki penguatan tegangan open-loop yang sangat besar atau bahkan tak terhingga. Ini berarti bahwa perbedaan tegangan yang sangat kecil antara input inverting dan non-inverting dapat menghasilkan perubahan tegangan output yang sangat besar.
2. Tegangan Offset Keluaran (Voo = 0): Secara ideal, Op Amp tidak menghasilkan tegangan offset pada keluaran ketika tegangan inputnya adalah nol. Ini berarti bahwa output Op Amp harus berada pada nol volt ketika tidak ada perbedaan tegangan di antara kedua inputnya.
3. Impedansi Masukan (Zin = ∞): Impedansi input yang sangat tinggi atau tak terhingga berarti bahwa Op Amp tidak menarik arus dari sumber sinyal yang dihubungkan ke inputnya. Hal ini sangat penting untuk memastikan bahwa sinyal input tidak terdistorsi.
4. Impedansi Output (Zout = 0): Impedansi output yang sangat rendah atau nol memungkinkan Op Amp untuk menggerakkan beban tanpa menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan. Ini memastikan bahwa sinyal output tetap kuat dan tidak terpengaruh oleh beban yang terhubung.
5. Lebar Pita (BW = ∞): Idealnya, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga, yang berarti bahwa ia dapat memperkuat sinyal pada frekuensi berapa pun tanpa kehilangan gain. Dalam praktiknya, lebar pita terbatas, tetapi sering kali cukup lebar untuk banyak aplikasi.
6. Stabilitas Termal: Karakteristik ideal Op Amp tidak berubah dengan suhu. Ini berarti bahwa performa Op Amp tetap konsisten meskipun terjadi perubahan suhu di lingkungan sekitarnya, yang sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan keakuratan tinggi. 

Spesifikasi :

•  Resistor

        Resistor digunakan untuk mengatur aliran arus listrik, membagi tegangan, melindungi komponen dari arus berlebih, mengatur waktu dalam rangkaian RC, menyaring sinyal dalam rangkaian filter, menyesuaikan tingkat tegangan, dan mengurangi noise dalam rangkaian elektronika.

Karakteristik transistor NPN secara singkat:

1. Tiga Terminal: Memiliki tiga terminal - emitor (E), basis (B), dan kolektor (C).
2. Polarisasi: Basis harus lebih positif dari emitor untuk mengaktifkan transistor.
3. Arus Basis Kecil: Arus kecil di basis mengontrol arus lebih besar di kolektor.
4. Penguatan Arus: Memiliki penguatan arus (β atau hFE), yaitu rasio antara arus kolektor dan arus basis.
5. Saklar dan Penguat: Dapat berfungsi sebagai sakelar atau penguat sinyal.
6. Tegangan Kolektor-Emitor: Biasanya memerlukan tegangan kolektor-emitor yang cukup tinggi untuk operasi normal.

Spesifikasi :

• Dioda 

         Dioda adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, memberikan kemampuan untuk mengendalikan arah aliran arus dalam rangkaian. Ini membuat dioda berguna dalam berbagai aplikasi seperti penyearah arus (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), perlindungan terhadap tegangan balik dalam rangkaian, dan sebagai pengganda tegangan dalam rangkaian daya. Selain itu, dioda digunakan dalam rangkaian logika digital, sebagai penstabil tegangan dalam regulator tegangan, dan dalam aplikasi khusus seperti dioda Zener yang digunakan untuk pengaturan tegangan tetap.

Spesifikasi :

• Baterai 

       Baterai adalah sumber daya portabel yang menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik untuk digunakan dalam berbagai perangkat elektronik. Baterai berfungsi menyediakan daya listrik yang stabil dan berkelanjutan bagi perangkat yang tidak terhubung langsung ke sumber listrik utama, seperti ponsel, laptop, remote control, dan kendaraan listrik. Selain itu, baterai juga digunakan dalam aplikasi kritis seperti cadangan daya (UPS) untuk komputer dan sistem keamanan, serta dalam perangkat medis seperti alat pacu jantung. Dengan kemampuan untuk menyimpan dan melepaskan energi sesuai kebutuhan, baterai memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi modern. 

• Ground

        Ground atau tanah adalah referensi potensial nol dalam sistem listrik atau elektronik. Fungsinya adalah untuk menyediakan jalur pengembalian arus listrik yang aman ke bumi atau tanah secara fisik. Ground digunakan untuk melindungi perangkat dan pengguna dari potensi bahaya listrik seperti korsleting atau lonjakan tegangan. Selain itu, ground juga digunakan sebagai referensi potensial untuk mengukur dan memastikan stabilitas sirkuit elektronik serta untuk mengurangi noise atau gangguan dalam sinyal-sinyal elektronik.

4. Dasar Teori[Back]

a. Transformer Coupled Push-Pull Circuit

Rangkaian ini menggunakan transformator sebagai komponen utama dalam membagi sinyal input dan menggabungkan sinyal output. Pada bagian input, sebuah transformator membagi sinyal menjadi dua bagian yang saling berlawanan fasa dan mengarahkannya ke dua transistor NPN identik. Transistor-transistor ini bekerja secara bergantian; satu transistor menghantarkan selama setengah siklus positif sinyal input, sementara transistor lainnya menghantarkan selama setengah siklus negatif. Output dari kedua transistor kemudian digabungkan kembali melalui transformator keluaran untuk diberikan ke beban. Keunggulan dari rangkaian ini adalah kemampuannya untuk menyediakan isolasi antara input dan output, serta kemudahan dalam menyesuaikan tegangan melalui rasio lilitan transformator. Namun, kelemahannya terletak pada ukuran dan biaya transformator yang besar, serta potensi distorsi jika transformator tidak berkualitas baik.

b. Complementary Symmetry Circuit

Pada rangkaian complementary symmetry, digunakan dua jenis transistor yang saling berpasangan, yaitu satu transistor tipe NPN dan satu transistor tipe PNP. Input sinyal langsung diterapkan ke basis kedua transistor melalui tahap driver, tanpa perlu menggunakan transformator. Transistor NPN akan aktif saat siklus positif sinyal input, sedangkan transistor PNP aktif saat siklus negatif, sehingga keduanya secara bersama-sama menghasilkan output lengkap dari sinyal AC. Keunggulan utama dari konfigurasi ini adalah efisiensi tinggi dan desain yang lebih ringkas karena tidak memerlukan transformator. Selain itu, distorsi dapat ditekan jika transistor pasangan memiliki karakteristik yang simetris. Kekurangannya adalah kesulitan dalam memperoleh transistor NPN dan PNP dengan karakteristik yang benar-benar identik, yang dapat memengaruhi kualitas sinyal output jika tidak dikompensasi dengan tepat.

c. Quasi-Complementary Push-Pull Amplifier

Rangkaian quasi-complementary dikembangkan sebagai solusi ketika transistor PNP daya sulit diperoleh atau tidak memiliki performa setara dengan transistor NPN. Dalam rangkaian ini, umumnya digunakan dua transistor NPN, di mana salah satunya dikonfigurasikan secara khusus agar berfungsi menyerupai transistor PNP. Konfigurasi ini biasanya melibatkan penggunaan driver transistor dan dioda untuk menciptakan jalur penguatan negatif secara simulatif. Meskipun tidak sepenuhnya simetris, rangkaian ini mampu memberikan hasil yang hampir setara dengan konfigurasi complementary symmetry. Keuntungannya adalah lebih mudah dalam pengadaan komponen dan tetap mempertahankan performa yang baik. Namun, perlu perhatian khusus dalam mendesain biasing agar distorsi tetap rendah dan output tetap linear.

5. Percobaan[Back]

    a). Prosedur[Back]

• Siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, diambil dari library Proteus.
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi di mana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letaknya dengan gambar rangkaian.
• Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh.
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian, jika tidak terjadi error, maka rangkaian bekerja.

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja[Back]

• Prinsip Kerja Rangkaian 12.15

       

Rangkaian ini merupakan transformer-coupled push-pull amplifier, di mana sinyal input pertama kali masuk ke transformator TR1. Transformator ini berfungsi sebagai phase splitter, yang menghasilkan dua sinyal dengan fasa berlawanan (180°) ke basis transistor Q1 dan Q2. Transistor Q1 dan Q2 bekerja secara bergantian: Q1 aktif saat siklus positif, dan Q2 aktif saat siklus negatif. Hasil penguatan dari kedua transistor kemudian digabung kembali melalui transformator TR2 di bagian output. Output sinyal dari TR2 diteruskan ke beban berupa speaker (LS1). Rangkaian ini sangat berguna untuk penguatan sinyal audio karena mampu menghasilkan output yang besar dengan distorsi rendah. Kekurangan dari jenis ini adalah penggunaan dua buah transformator yang cukup besar dan mahal, serta efisiensinya yang lebih rendah dibandingkan konfigurasi modern.

• Prinsip kerja Rangkaian 12.16

 

Rangkaian Complementary Symmetry Push-Pull ini bekerja dengan dua transistor (Q1 NPN dan Q2 PNP) yang secara bergantian mengalirkan arus ke beban RL sesuai dengan fase sinyal input AC dari V1. Saat sinyal input berada pada setengah siklus positif, Q1 menghantar dan mengalirkan arus dari BAT1 ke RL, sedangkan saat setengah siklus negatif, Q2 menghantar dan mengalirkan arus dari RL ke BAT2. Dengan cara ini, sinyal output pada RL merupakan bentuk penguatan dari sinyal input AC secara penuh (full-wave), menghasilkan daya yang lebih besar dan efisiensi tinggi, sementara kapasitor C1 berfungsi memblokir komponen DC dari sinyal input.

• Prinsip kerja Rangkaian 12.17

                                                  

Rangkaian ini menggunakan konfigurasi complementary symmetry yang mengandalkan pasangan transistor NPN dan PNP. Q1 dan Q2 membentuk pasangan Darlington NPN, sedangkan Q3 dan Q4 membentuk pasangan Darlington PNP. Input sinyal AC dari sumber V1 masuk melalui kapasitor kopling C1, yang mencegah arus DC masuk ke input. Pada siklus positif, pasangan NPN (Q1 dan Q2) aktif dan mengalirkan arus ke beban (speaker LS1) dari suplai positif V2. Pada siklus negatif, pasangan PNP (Q3 dan Q4) aktif dan mengalirkan arus dari beban ke suplai negatif V3. Kapasitor C2 dan resistor R5 berfungsi sebagai filter dan pengatur arus ke beban. Rangkaian ini memiliki keuntungan efisiensi tinggi dan tidak membutuhkan transformator, serta mampu menghasilkan output daya besar. Penggunaan konfigurasi Darlington juga meningkatkan penguatan arus total, namun menghasilkan tegangan jenuh yang sedikit lebih tinggi.

    c). Video simulasi[Back]

• Rangkaian 10.34

• Rangkaian 10.35

• Rangkaian 10.36

6. Download file[Back]

• Download Rangkaian FIG.12.15 klik disini
• Download Rangkaian FIG.12.16 klik disini
• Download Rangkaian FIG.12.17 klik disini
• Download Datasheet Baterai klik disini
• Download Datasheet Op Amp 741 klik disini
• Download Tambahan Datasheet op amp klik disini
• Download Datasheet Resistor klik disini
• Download Video klik disini