12 dan 13

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. ringkasan

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam sistem elektronika, power amplifier atau penguat daya merupakan salah satu komponen penting yang berfungsi untuk memperkuat sinyal listrik agar memiliki daya yang cukup untuk menggerakkan beban seperti speaker, motor, atau perangkat lain yang membutuhkan energi lebih besar. Berbeda dengan penguat sinyal kecil (small signal amplifier) yang fokus pada penguatan tegangan, power amplifier menekankan pada penguatan daya (power), yaitu gabungan dari tegangan dan arus.

Power amplifier banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti sistem audio, pemancar radio, perangkat komunikasi, dan sistem kontrol industri. Tujuan utama dari penguat daya adalah menghasilkan output dengan daya tinggi tanpa mengubah bentuk sinyal input secara signifikan, sehingga kualitas sinyal tetap terjaga.

Power amplifier diklasifikasikan berdasarkan konfigurasi kerja dan efisiensinya, seperti kelas A, B, AB, dan kelas C, masingmasing memiliki karakteristik, kelebihan, dan kekurangan tersendiri tergantung pada aplikasi yang digunakan.   

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip kerja dasar dari power amplifier sebagai penguat daya dalam sistem elektronika.

2. Mempelajari karakteristik dan perbedaan antara berbagai kelas amplifier, seperti kelas A, B, AB, dan C.

3. Mengamati bagaimana sinyal input dikuatkan oleh power amplifier untuk menghasilkan daya output yang lebih besar.

4. Mengetahui parameter-parameter penting dalam penguat daya, seperti efisiensi, distorsi, dan kemampuan beban.

5. Melatih kemampuan dalam merancang, mensimulasikan, dan menganalisis rangkaian power amplifier secara praktis dan teoritis.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT

 A. Op-amp 

B. 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.

C. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

D. Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

E. 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.

F. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

G. Transistor (BJT)

Transistor BJT bekerja seperti saklar atau penguat. Saat arus kecil masuk ke basis, transistor "aktif" dan mengalirkan arus yang jauh lebih besar antara kolektor dan emitor. Karena itulah BJT sering digunakan sebagai penguat sinyal maupun sebagai saklar elektronik.

H. Pot-Hg

Potensiometer untuk mengatur gain (penguatan) tinggi, misalnya pada power amplifier. Dalam hal ini, pot-hg digunakan untuk menyesuaikan tingkat penguatan sinyal input agar outputnya lebih besar sesuai kebutuhan. 

I. Diode

             

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.

4. Dasar Teori (kembali)

Power amplifier atau penguat daya adalah rangkaian elektronik yang berfungsi untuk memperkuat daya dari sinyal input agar mampu menggerakkan beban dengan kebutuhan daya besar, seperti speaker, motor, atau perangkat output lainnya. Berbeda dengan penguat sinyal kecil (small signal amplifier) yang hanya memperkuat tegangan atau arus, power amplifier memperbesar daya listrik (power) yang merupakan hasil kali tegangan dan arus.

Dalam praktiknya, power amplifier biasanya merupakan tahap akhir dalam sistem penguat, karena sinyal yang keluar dari tahap ini akan langsung diberikan ke beban. Oleh karena itu, efisiensi dan kemampuan menangani daya besar menjadi aspek penting.

Klasifikasi Power Amplifier

Power amplifier diklasifikasikan berdasarkan mode operasinya, yaitu:

1. Kelas A – linear, kualitas sinyal tinggi, efisiensi rendah (sekitar 25–30%).

2. Kelas B – efisiensi lebih tinggi, tapi bisa menghasilkan distorsi cross-over.

3. Kelas AB – gabungan kelas A dan B; efisiensi sedang dengan distorsi rendah.

4. Kelas C – efisiensi sangat tinggi, tapi distorsi besar; cocok untuk sinyal radio.

5. Kelas D – menggunakan modulasi pulsa (switching); efisiensi sangat tinggi dan banyak digunakan di sistem audio modern.

Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier

Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier adalah jenis konfigurasi penguat daya kelas AB yang digunakan untuk menghasilkan sinyal output dengan daya tinggi dan distorsi rendah, menggunakan kombinasi antara transistor tipe NPN dan NPN dengan dioda atau NPN dan PNP, tetapi tanpa sepenuhnya menggunakan pasangan transistor komplementer ideal.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Power amplifier bekerja dengan menggunakan komponen aktif seperti transistor BJT atau MOSFET. Arus atau tegangan kecil pada input dikontrol oleh transistor untuk menghasilkan arus atau tegangan lebih besar pada output, tanpa mengubah bentuk gelombang (sinyal) secara signifikan.

Prinsip Kerja Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier

Quasi-Complementary Push–Pull Amplifier bekerja dengan prinsip dasar penguatan sinyal secara simetris, menggunakan dua jalur penguatan—satu untuk sinyal positif dan satu untuk sinyal negatif—tetapi tidak menggunakan transistor komplementer secara penuh. Konfigurasi ini merupakan variasi dari push–pull amplifier kelas AB, namun hanya menggunakan satu jenis transistor daya (biasanya NPN), dibantu oleh transistor kecil atau dioda untuk meniru kinerja PNP.

1. Penguatan Tegangan (Voltage Gain, $A_v$)

Untuk tahap driver atau awal:

$$A_v=\frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}$$Namun untuk tahap akhir push–pull, gain biasanya mendekati 1 karena digunakan sebagai buffer atau emitter follower. Penguatan daya utamanya terletak pada kemampuan menangani arus besar.

2. Daya Output (Output Power, Pout​)

Untuk beban resistif $R_L$:

$$P_{\text{out}}=\frac{V_{\text{rms}}^2}{R_{\mathrm{L<span\; style="font-family:\; times;"></span><span\; class="vlist-s"\; style="font-family:\; times;"></span>}}}$$

Jika sinyal sinus, dan diketahui tegangan puncaknya:

$$V_{\text{rms}}=\frac{V_{\text{peak}}}{\sqrt{2}}\Rightarrow P_{\text{out}}=\frac{(V_{\text{peak}}\mathrm{/}\sqrt{2}{)}^2}{R_L}=\frac{V_{\text{peak}}^2}{2R_L}$$

3. Daya Masukan (Input Power, Pin​)

$$P_{\text{in}}=V_{\text{supply}}\times I_{\text{total}}$$

4. Efisiensi (Efficiency, η)

Efisiensi menunjukkan seberapa besar daya input dikonversi menjadi daya output:

$$\eta =\frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}}\times 100\mathrm{\%}$$

Untuk power amplifier kelas AB:

• Teoritis maksimum efisiensi ≈ 78.5%

• Praktis umumnya 50–70%, tergantung desain.

5. Cross-over Distortion

Bukan berupa rumus, tetapi terjadi saat tegangan input berada di sekitar 0V dan tidak cukup untuk mengaktifkan transistor. Untuk menghindarinya, digunakan biasing dioda atau VBE multiplier agar transistor aktif sedikit sebelum sinyal masuk.

6. Ringkasan [kembali]

1. Class B Amplifier Circuit

Class B Amplifier adalah penguat yang menggunakan konfigurasi transistor yang hanya beroperasi pada setengah siklus sinyal input (180°) untuk masing-masing transistor dalam konfigurasi push-pull.

Dasar Teori:

• Transistor pada Class B aktif bergantian untuk masing-masing setengah siklus gelombang input, sehingga menghasilkan efisiensi tinggi.

• Namun, terdapat kelemahan berupa crossover distortion, yaitu distorsi di sekitar titik nol saat transisi antara dua transistor.

2.Amplifier Distortion

Amplifier Distortion adalah perubahan bentuk sinyal output dibandingkan dengan input akibat karakteristik non-linear penguat.

Jenis-jenis Distortion:

• Harmonic Distortion: Muncul frekuensi harmonik baru

• Crossover Distortion: Terjadi di Class B amplifier saat perpindahan transistor aktif.

• Clipping Distortion: Output terpotong karena melebihi batas kemampuan amplifier.

• Intermodulation Distortion: Frekuensi baru akibat pencampuran dua sinyal berbeda.

• Phase Distortion: Perubahan hubungan fasa antara input dan output.

3. Class C dan Class D Amplifier

Class C Amplifier adalah amplifier yang bekerja pada sudut konduksi <180° dari siklus sinyal input.

• Memiliki efisiensi sangat tinggi, namun sangat non-linear.

• Umumnya digunakan untuk penguatan frekuensi radio (RF) dengan resonansi LC sebagai filter untuk membentuk ulang sinyal.

Class D Amplifier adalah amplifier berbasis switching (saklar) dengan menggunakan teknik seperti Pulse Width Modulation (PWM).

• Transistor beroperasi sebagai saklar ON dan OFF cepat.

• Memiliki efisiensi tinggi (>90%) dan dissipasi panas rendah.

• Cocok untuk aplikasi audio berdaya tinggi seperti speaker aktif.
• Memerlukan filter low-pass untuk mendapatkan sinyal analog dari output switching.

7. Soal Latihan [kembali]

7.1 Problem

1.Sebuah Class B push-pull amplifier digunakan untuk menguatkan sinyal sinusoidal dengan amplitudo puncak 15V. Penguat ini dihubungkan dengan beban resistor sebesar 8Ω.

Diketahui:

Tegangan puncak (Vpeak) = 15V

• Beban (RL) = 8Ω

Ditanya:

a. Berapakah daya output maksimum pada amplifier tersebut?

b. Berapakah efisiensi maksimum teoritis dari Class B amplifier?

Jawab:

a.Rumus daya output maksimum pada Class B amplifier:

$$P_{out(max)} = \frac{V_{peak}^2}{2 \times R_L}$$ $$P_{out(max)} = \frac{15^2}{2 \times 8} = \frac{225}{16} = 14.06\,W$$

b.Efisiensi maksimum teoritis Class B:

$$\eta_{max} = \frac{\pi}{4} \times 100\%$$ $$\eta_{max} \approx 78.5\%$$

2.Sebuah Class C amplifier digunakan untuk memperkuat sinyal RF. Amplifier ini memiliki sudut konduksi sebesar 120°, dengan arus puncak kolektor sebesar 2A, dan tegangan kolektor sebesar 20V. Efisiensi amplifier diketahui 80%.

Diketahui:

• Sudut konduksi = 120°

• Arus puncak kolektor = 2A

• Tegangan kolektor = 20V
• Efisiensi = 80%

Ditanya:

a. Berapakah daya input DC (PDC) ke transistor?

b. Berapakah daya output (Pout) yang dihasilkan amplifier?

Jawab:

a.Arus DC rata-rata:

$$I_{DC} = I_{peak} \times \frac{\theta}{360^\circ}$$ $$I_{DC} = 2A \times \frac{120^\circ}{360^\circ} = 0.6667A$$

Daya input DC:

$$P_{DC} = V_{CC} \times I_{DC}$$ $$P_{DC} = 20V \times 0.6667A = 13.33W$$

b.Daya output dengan efisiensi 80%:

$$P_{out} = \eta \times P_{DC}$$ $$P_{out} = 0.8 \times 13.33W = 10.66W$$

 3. Sebuah Class D amplifier menghasilkan sinyal PWM dengan tegangan puncak 24V dan duty cycle 60%. Amplifier ini disambungkan ke beban resistif sebesar 6Ω.

Diketahui:

• Tegangan puncak PWM = 24V

• Duty cycle = 60%

• Beban = 6Ω

Ditanya:

a. Berapakah tegangan rata-rata (Vavg) pada beban?

b. Berapakah daya rata-rata (Pavg) yang diterima oleh beban?

Jawab:

a.Tegangan rata-rata PWM:

$$V_{avg} = V_{peak} \times Duty\,Cycle$$ $$V_{avg} = 24V \times 0.6 = 14.4V$$

b.Daya rata-rata pada beban:

$$P_{avg} = \frac{V_{avg}^2}{R}$$ $$P_{avg} = \frac{14.4^2}{6} = \frac{207.36}{6} = 34.56W$$

    7.2 SOAL LATIHAN                                                  

1.Salah satu kelemahan utama pada Class B amplifier adalah adanya crossover distortion. Apa penyebab utama dari crossover distortion ini?

A. Transistor bekerja sepanjang 360° siklus sinyal.

B. Transistor hanya bekerja pada setengah siklus dan ada area transisi di sekitar nol volt yang tidak tercover.
C. Penguat memiliki efisiensi yang sangat rendah.

✅ Jawaban:

B. Transistor hanya bekerja pada setengah siklus dan ada area transisi di sekitar nol volt yang tidak tercover.

2.Apa karakteristik utama dari Class C amplifier?

A. Menghasilkan output yang selalu berbentuk sinusoidal tanpa perlu filter tambahan.
B. Memiliki sudut konduksi lebih dari 180° sehingga cocok untuk penguat audio.
C. Bekerja dengan sudut konduksi kurang dari 180° dan memerlukan rangkaian resonansi untuk membentuk ulang gelombang.

✅ Jawaban:

C. Bekerja dengan sudut konduksi kurang dari 180° dan memerlukan rangkaian resonansi untuk membentuk ulang gelombang.

3.Apa perbedaan utama antara Class D amplifier dibandingkan dengan amplifier kelas lainnya?

A. Menggunakan mode switching dengan PWM sehingga sangat efisien.
B. Semua transistor selalu berada pada mode aktif linear.
C. Tidak memerlukan filter output karena langsung menghasilkan sinyal analog sempurna.

✅ Jawaban:

A. Menggunakan mode switching dengan PWM sehingga sangat efisien.

8. Percobaan [kembali]

a. prosedur percoban

• Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
• Selanjutnya, hubungkan  semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

1. Fig 12.5

rangkaian 12.5

• rangkaian 12.6

• rangkaian 12.10

3. Fig 12.10

9. Download File [kembali]

Download rangkaian 12.5 klik disini

Download rangkaian 12.6 klik disini

Download rangkaian 12.10 klik disini

Download Datasheet

• Datasheet voltmeter klik disini

• Datasheet transistor klik disini

• Datasheet osiloskop klik disini

• Datasheet dioda klik disini

• Datasheet baterai klik disini

• Datasheet Op- Amp klik disini

• Datasheet resistor klik disini

[menuju awal]