Pengertian Penguat Daya Dan Rangkaiannya

Rangkaian Penguat Daya Audio – Penguat daya atau dalam bahasa Inggris disebut dengan Power Amplifier merupakan suatu rangkaian elektronika yang  memiliki fungsi untuk memperkuat dan memperbesar sinyal masukan. Dalam bidang audio, Power Amplifier berfungsi untuk menguatkan sinyal suara dalam bentuk analog yang berasal dari sumber suara (input) berubah menjadi sinyal suara yang lebih besar (output).

Amplifier

Sumber sinyal suara yang dimaksud dalam hal ini berasal dari berbagai alat tranduser seperti mikrofon yang bisa mengubah energi suara menjadi sinyal listrik atau optical pickup CD yang mengubah getaran mekanik menjadi sinyal listrik.

Sinyal listrik  dalam bentuk sinyal AC ini selanjutnya diperkuat arus (I) dan tegangannya (V) sehingga outputnya lebih tinggi. Untuk besaran penguatan ini biasa disebut sebagai gain. Adapun lambang dari Gain adalah G dengan satuan decibel (dB) dan merupakan hasil bagi dari daya pada bagian output (Pout) dengan daya pada bagian input (Pin) berupa frekuensi listrik AC. Berikut ini adalah bentuk rumusnya:

G = 10log (Pout/Pin)

Keterangan :

G adalah Gain dalam satuan dB
Pout  adalah Power atau daya pada bagian Output
Pin adalah Power atau daya pada bagian Input

Pada umumnya tranduser menghasilkan sinyal listrik yang sangat kecil, yakni hanya beberapa milivolt atau bahkan beberapa microvolt saja. Maka dari itu, sinyal ini harus diperkuat dengan tujuan supaya bisa menggerakan perangkat tranduser output seperti speaker ataupun berbagai perangkat output yang lainnya.

Dalam penguat  sinyal kecil atau Small Signal Amplifier, faktor yang paling utama yaitu penguatan lineritas serta memperbesar gain. Karena memiliki tegangan sinyal dan arus yang kecil maka penting sekali untuk memperhatikan masalah jumlah kapasitas penanganan daya efisiensi daya.

Sementara itu, penguat daya (Power Amplifier) dan Penguat Sinyal Besar merupakan jenis penguat yang memberikan daya dalam jumlah cukup agar bisa menggerakan speaker dan berbagai perangkat listrik yang lainnya. Daya yang dihasilkan umumnya mulai dari beberapa watt sampai dengan puluhan watt atau bahkan bisa juga sampai ratusan watt.

Baca juga: Jenis Jenis Microphone

Fungsi Power Amplifier

Selain digunakan untuk memperkuat sinyal suara, Power Amplifier juga memiliki banyak fungsi yang lainnya. Adapun fungsi-fungsi pada Amplifier adalah sebagai berikut ini:

Fungsi Amplifier

  1. Menyesuaikan Suara Keluaran (Output)

Power Amplifier bisa membuat output-nya menghasilkan sinyal suara yang hampir sama seperti input-nya. Hal ini karena di dalam amplifier terdapat sebuah komponen yang dinamakan dengan pre-amp.  Disamping itu, sinyal-sinyal input adalah sebagai berikut:

  • DVD
  • MP3 Player
  • Dan sebagainya

Ketiganya mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Akan tetapi, keberadaan komponen tersebut bisa membuat amplifier bisa menguatkan dan membuat sama suara yang dihasilkan.

  1. Mengatur Karakteristik Suara

Power Amplifier juga bisa digunakan sebagai pengatur karakteristik suara seperti treble, bass, balance, middle, dan volume. Terlebih jika didalamya ada sebuah komponen AUX (seperti yang terdapat pada TOA). Dengan begitu maka karakteristik suara dalam amplifier bisa diubah sesuai dengan keinginan.

  1. Sebagai Penguat Suara

Seperti yang sudah kami singgung diatas bahwa fungsi utama dari sebuah amplifier adalah sebagai penguat suara. Amplifier mampu untuk menguatkan sinyal audio yang dimana sinyal tersebut nantinya dikeluarkan dengan melalui gelombang suara pada loudspeaker. Namun sebelum itu sinyal suaran input yang ada akan dikonversi lebih dahulu menjadi sinyal listrik dengan tujuan supaya tegangannya bisa naik. Jika tegangan sudah naik maka nantinya akan menghasilkan sinyal yang lebih besar.

Jenis-Jenis Power Amplifier

Power Amplifier umumnya terbagi dalam 4 jenis, yaitu Output Transformer, Output Transformer Less, Output Capacitor Less, dan Bridge Transformer Less. Berikut ini adalah penjelasan selengkapnya mengenai 4 jenis amplifier tersebut:

  1. Power Amplifier Output Transformer

Power Amplifier OT

 

Power amplifier output transformer atau yang biasa disebut amplifier OT ini umumnya menggunakan kopling atau suatu trafo sebagai penghubung antara rangkaian penguat akhir dengan beban pengeras suara. Respon frekuensi amplifier OT umumnya berada di range audio menengah, sehingga untuk reproduksi suara nada bassnya tidak begitu bagus.

Jenis amplifier  ini memiliki keunggulan yang dimana tahan terhadap short sircuit penguat akhir. Dengan begitu maka untuk penguat suara atau loud speaker tidak akan cepat mengalami kerusakan. Amplifier OT banyak digunakan sebagai pengeras suara saat melakukan pidato, ceramah, dan lainnya.

  1. Power Amplifier Output Transformer Less

Power Amplifier OTL

 

Power amplifier output transformer less (OTL) adalah jenis amplifier yang tidak menggunakan transformer untuk dijadikan sebagai kopling dari rangkaiannya dengan pengeras suara. Ciri khas yang dimiliki oleh amplifier OTL adalah pada jenis catu dayanya atau power supply. Jenis amplifier ini juga menggunakan tegangan non simsteris untuk bisa digunakan.

Disamping itu, ciri khas amplifier OTL yang lainnya adalah memiliki ukuran kapasitor yang sangat besar. Bahkan ukurannya bisa mencapai lebih dari 1000µF. Biasanya jenis kapastisor yang digunakan adalah jenis ELCO  yang memiliki arah polaritas yang terdiri dari positif (+) dan (-).

Salah satu fungsi dari ELCO pada amplifier adalah untuk menstabilkan tegangan listrik. Sedangkan untuk masalah pengaplikasiannya, amplifier OTL sering digunakan pada berbagai perangkat elektronik seperti radio, televisi, laptop, smartphone, dan lain sebagainya.

  1. Power Amplifier Output Capasitor Less

Power Amplifier

Power amplifier output capacitor less (OCL) umumnya hanya digunakan pada penguat daya amplitudo yang besar, sehingga seringkali dipasangkan dengan catu daya atau power supply simetris. Disamping itu, amplifier OCL juga lebih aman pada output yang dihasilkan ke pengeras suara atau loudspeaker.

Ciri khas yang dimiliki oleh amplifier OCL adalah pada bagian ujung beban keluaran yang terhubung secara langsung dengan CT transformator. CT transformator memiliki fungsi sebagai sumber tegangan di titik simpul atau tengah dari sebuah gelombang suara yang dikeluarkan. Jadi amplifier ini akan menghasilkan sinyal suara yang lebih besar dan ngebass jika dibandingkan dengan jenis lainnya.

  1. Power Amplifier Bridge Transformer Less

Power Amplifier Bridge Transformer Less

Power amplifier bridge transformer less (BTL) adalah hasil dari penggabungan antara dua amplifier dengan menggunakan suatu sistem disebut sebagai Bridge. Dengan begitu maka amplifier BTL akan mendapat sinyal amplitudo hingga 2 kali lipat lebih besar daripada hanya menggunakan satu buah saja.

Aka tetapi, masalah yang sering dialami oleh amplifier BTL adalah memiliki panas berlebih pada setiap IC (Integrated Circuit). Untuk mengatasi hal ini maka harus dipasangkan dengan pendingin atau heatsink yang lumayan besar pada masing-masing IC dengan tujuan untuk mencegahnya terbakar atau hangus.

Kelas-Kelas Penguat Daya (Power Amplifier)

Kelas-kelas Power Amplifier

Apabila Anda pernah melihat spesifikasi dari alat power amplifier, salah satu yang tertera adalah kelas amplifier. Kelas amplifier biasanya dilambangkan dengan huruf A, A/B, D, G, dan H yang bisa menjabarkan tipolologi amplil.

  • Penguat Daya Kelas A / Class A Power Amplifier

Penguat daya kelas A  kelas penguat yang memiliki desain sangat sederhana dan paling umum digunakan. Sesuai namanya, kelas A sudah pasti yang terbaik dibandingkan kelas lainnya. Penguat kelas ini mempunyai tingkat distoris sinyal yang cukup rendah dan mempunyai linieritas yang paling tinggi.

Biasanya penguat daya kelas A ini menggunakan transistor single seperti transistor bipolar, FET dan IGBT yang terhubung dengan Emitor Bersama (Common Emitter). Titik kerja (titik Q) terletak di pusat kurva karakteristik atau lebih tepatnya di setengah Vcc (Vcc/2) yang dimana memiliki tujuan untuk dapat mengurangi distori ketika penguatan sinyal. Penguat daya kelas A ini memperkuat sinyal input hingga satu gelombang penuh (360°).

Rangkaian Penguat Kelas A

Rangkaian Penguat Kelas A

Untuk bisa mencapai linieraitas dan Gain tinggi maka transistor pada amplifier kelas A harus selalu dalam kondisi aktif selama siklus AC. Hal ini membuat  pemborosan serta pemanasan secara berlebih sehingga sangat tidak efisien. Efisiensi penguat atau amplifier kelas A kurang lebih berkisar mulai dari 25% sampai dengan 50%.

  •  Penguat Daya Kelas B (Class B Power Amplifier)

Amplifier kelas B digunakan untuk menangani masalah efisiensi dan pemanasan secara berlebih pada penguat kelas A. Titik kerja (Q-point) terletak di bagian ujung kurva karakteristik sehingga hanya mampu untuk memperkuat setengah input gelombang (180°).

Rangkaian Penguat Kelas B

Rangkaian Penguat Kelas B

Penguat daya ini memang hanya bisa memperkuat setengah gelombang serta menonaktifkan setengah gelombang yang lainnya sehingga sudah pasti mempunyai tingkat efisiensi yang jauh lebih tinggi daripada penguat kelas A. Secara teoritis, amplifier kelas B mempunyai efisiensi sekitar 78,5%. Kekurangan yang dimiliki oleh amplifier kelas B adalah sering terjadinya distorsi cross-over.

  • Penguat Daya Kelas AB (Class AB Power Amplifier)

Amplifier kelas AB merupakan gabungan dari amplifier kelas A dan amplifier kelas B. Amplifier ini seringkali digunakan pada desain Audio Power Amplifier. Titik kerja yang dimiliki amplifier AB ini terletak diantara titik kerja amplifier kelas A dan titik kerja amplifier kelas B, sehingga amplifier kelas AB mampu mengeluarkan penguat sinyal yang tidak distorsi seperti halnya pada penguat kelas A.

Rangkaian Penguat Kelas AB

Rangkaian Penguat Kelas AB

Amplifier kelas AB ini memiliki tingkat efisiensi daya yang lebih tinggi sama halnya dengan penguat kelas B. Amplifier ini mampu memperkuat sinyal mulai dari 180° sampai 360° dengan tingkat efisiensi daya mulai 25% sampai 78,5%.

  • Penguat Daya Kelas C (Class C Power Amplifier)

Penguat atau Amplifier kelas C mampu memperkuat sinyal input yang tidak lebih dari setengah gelombang atau (kurang dari 180°) sehingga untuk distorsi pada outputnya terlalu tinggi. Tetapi penguat daya kelas C ini memiliki tingkat efisiensi yang cukup baik hingga mencapai 90%. Amplifier kelas C biasa digunakan di berbagai aplikasi khusus seperti misalnya penguat pada pemancar frekuensi radio atau berbagai alat komunikasi yang lainnya.

Rangkaian Penguat Kelas C

Rangkaian Penguat Kelas C

Karena distorsinyaterlalu tinggi, maka penguat AC biasa digunakan pada osilator gelombang sinusoidal frekuensi tinggi serta penguat frekuesnsi radio yang tertentu, dimana pulsa arus yang dikeluarkan pada output penguat bisa dikonversi untuk menangani gelombang sinusoidal dari frekuensi yang tertentu oleh pemakaian rangkaian resonansi LC pada rangkaian collector-nya.

  • Penguat Daya Kelas D (Class D Power Amplifier)

Penguat daya kelas D biasanya menggunakan penguatan berupa pulsa atau yang biasa disebut sebagai teknik PWM (Pulse Width Modulation), dimana pulsa ini memiliki lebar proposional terhadap amplitudo sinyal input yang kemudian sinyal PWM akan menggerakkan transistor switching ON dan OFF berdasarkan lebar pulsanya.

Secara teoritis, amplifier kelas D bisa mencapai efisiensi daya hingga 90% atau bahkan 100%. Hal ini karena transistor penguatan daya ini berperan sebagai switch binary yang sempurna sehingga akan terhindar dari pemborosan waktu ketika transisi sinyal sertatidak ada lagi daya yang diboroskan ketika tidak ada sinyal input. Pada umumnya transistor yang digunakan untuk penguat kelas D ini adalah transistor MOSFET. Dalam amplifier kelas D terdapat generator gelombang gigi gergaji, komparator, rangkaian switch dan juga low pass filter.

Meskipun mampu menghasilkan efisiensi daya yang cukup tinggi, tetapi amplifier kelas D  membutuhkan sumber catu daya dalam kondisis stabil serta respon frekuensi tinggi yang tergantung dari impedansi speaker (pengeras suara).

  • Kelas-Kelas Power Amplifier Lainnya

Selain beberapa kelas yang sudah kami sebutkan diatas sebenarnya masih ada kelas-kelas penguat daya yang lainnya seperti kelas F, kelas G, kelas I, kelas S, dan juga kelas T yang menggunakan teknik PWM (Pulse Width Modulation) sebagai penguatan sinyal inputnya.

Baca juga: Jenis Jenis IC (Integrated Circuit)

Cara Kerja Power Amplifier

Rangkaian pada amplifier audio tersusun atas rangkaian tertentu agar bisa menghasilkan gain dari arus dan tegangan. Cara kerjanya melalui beberapa tahap, mulai dari amplificasi tegangan hingga mencapai tahap output daya.

1. Tahap Penguat Tegangan

Tahap ini adalah tahap pertama. Sinyal pada input daya dari sumber kemudian diberikan ke amplifier elektronik. Sinyal ini memiliki kisaran millivolt dan berperan untuk menggerakkan tahap berikutnya. Jadi pada tahap ini sejumlah besar tegangan diperkuat untuk memproses di tahap selanjutnya.

Tujuan ini bisa didapatkan oleh amplifier kelas-A. Sementara itu, penguatan tegangan esensial dicapai dengan memanfaatkan dua/lebih amplifier kelas-A yang masih ditambah dengan RC.

2. Tahap Driver

Tahap ini merupakan tahap tengah yang perannya menampilkan amplifikasi tegangan dan tahap output (keluaran) daya. Tahap penguat tegangan saja masih belum cukup untuk bisa mendorong pada tahap output daya.

Karena mempunyai impedansi input daya yang rendah, tahap kedua inilah yang berperan sebagai tahap tengah yang menghasilkan keuntungan dari arus. Tak hanya itu, pada tahap ini juga menghasilkan keuntungan dari daya yang juga cukup.

3. Tahap Output

Ini adalah tahapan terakhir dari cara kerja amplifier. Pada tahap ini terdapat dua garis besar, yaitu pengaturan push and pull dan trasistor tunggal. Namun, kebanyakan lebih memilih menggunakan pengaturan push-pull.

Hal tersebut karena pengaturan ini dianggap lebih efisien, output daya yang dihasilkan juga tinggi. Selain itu, kelebihannya ada pada pembatalan arus DC dan pembatalan harmonik.

Rangkaian Power Amplifier Sederhana

Amplifier Dengan IC LM386

Salah satu jenis amplifier yang sering dijumpai adalah amplifier mini. Mengapa disebut mini ? Karena Bentuknya yang kompak dan simple serta supply daya yang relatif kecil, bahkan hanya 5V saja. Sehingga sumber tegangan dapat diperoleh dari Adaptor 5V, Charger HP maupun sambungan USB pada Laptop atau PC.

IC yang sering digunakan dalam rangkaian Amplifier mini adalah IC LM386. IC ini adalah penguat audio Mono dengan output daya rendah, dan menggunakan catu daya rendah seperti baterai, adaptor bahkan sambungan power Universal Serial Bus (USB).

IC ini tersedia dalam paket DIP 8-pin. Gain tegangan penguat pada komponen ini dapat disesuaikan menjadi 20, atau dapat ditingkatkan menjadi 100 dan 200 kali penguatan dengan menggunakan komponen eksternal yaitu Resistor serta Kapasitor di antara pin 1 dan 8.

Fitur LM386

  • IC LM386 dapat diperoleh dalam paket 8-pin MSOP
  • Komponen eksternal minimal (hanya resistor dan kapasitor)
  • Tegangan input rendah (5-12V)
  • Drain daya statis rendah – 4mA
  • Input direferensikan oleh ground
  • Distorsi kurang dari 0.2%
  • Self-centering tegangan statis output daya
  • Penguatan diatur dari 20X hingga 200X

Skema Rangkaian

Pada rangkaian Amplifer ini, sumber tegangan dapat berasal dari Adaptor 5V, Charger HP atau Smartpone, Powerbank maupun dari baterai 4V atau Li-Ion 18650. Bisa juga dari Power USB laptop atau PC.

Speaker yang digunakan adalah Speaker mini dengan Impedansi antara 8 sampai 32 Ohm. Menggunakan Speaker yang besar tidak efektif mengingat kemampuan daya dari amplifier ini hanya sekitar 1 Watt saja.

Meskipun begitu, Suara yang hasilkan oleh IC LM 386 cukup jernih dan dapat diandalkan untuk rangkaian sound sistem sederhana.

Amplifier Dengan IC TDA 7052

Selain LM 386, jenis IC yang sering digunakan untuk Sirkuit ini adalah IC TDA 7052. Tipe ini adalah IC yang unik, dimana hanya menggunakan sedikit sekali komponen eksternal untuk membuatnya.

BTL amplifier adalah dua amplifier yang dijadikan satu amplifier dengan cara kedua inputnya berbeda fasa 180 derajat dan speaker dihubungkan ke kedua output amplifier tersebut (tidak melalui ground). Pada TDA 7052, output speaker dihubungkan pada kaki 5 dan 8.

IC tipe ini merupakan IC audio mono dengan Kemasan 8 pin DIP. Sumber tegangan yang digunakan antara 3V sampai 18V DC. Ini berarti dapat menggunakan Adaptor atau Power supply 5V, Power Bank, Baterai Li-Ion maupun power USB computer.

Fitur TDA 7052

  • No external components
  • No switch-on or switch-off clicks
  • Good overall stability
  • Low power consumption
  • No external heatsink required
  • Short-circuit proof

Skema Rangkaian

Rangkaian Amplifier mini ini sangat cocok digunakan untuk desain sirkuit Sound Speaker portable sederhana. Ukurannya yang kecil dan tambahan komponen eksternal yang sangat minim membuat dimensi PCB dari sirkuit ini bisa dibuat sekecil mungkin, Sekitar 3cm X 3cm saja.

Walaupun kemampuan daya yang dihasilkan berkisar hanya 1 Watt saja, namun kualitas suara yang dihasilkan cukup baik jika menggunakan speaker Mini dengan Impedansi antara 8 Ohm hingga 32 Ohm.

Amplifier OCL 150 Watt Mono dan Stereo

OCL adalah sistem amplifier dimana sirkuitnya tidak memakai Kapasitor sebagai kopling dan filter pada output penguatannya. Biasanya, Kapasitor dipasang sebelum rangkaian terhubung ke speaker sebagai kopling dan pengaman terhadap sinyal yang mungkin merusak speaker.

Amplifier dengan sistem OCL mempunyai respon frekuensi yang lebar sehingga range frekuensi audio dapat di produksi dengan baik. Didukung oleh Transistor final dengan konfigurasi Push-Pull memberikan penguatan maksimal pada sinyal suara yang dihasilkan.

Namun dibalik kelebihannya, sistem OCL memiliki kelemahan, yaitu apabila salahsatu transistor finalnya rusak (short circuit), maka kemungkinan speakernya juga akan terdampak kerusakan juga.

Walaupun begitu, hal ini dapat diatasi dengan membeli komponen dengan merk berkualitas dan menggunakan speaker protector.

Skema Rangkaian Amplifier OCL 150 Watt

Daftar Komponen

Catatan :

Skema dan daftar komponen diatas adalah rangkaian mono alias speaker tunggal. Jika ingin menggunakan speaker stereo maka harus menggunakan 2 buah rangkaian mono untuk speaker R dan L.

Transistor final yang digunakan boleh bertipe MJ2955/MJ3055 atau TIP2955/TIP3055

Skema Power Supply

Power supply yang digunakan pada rangkaian amplifier OCL menggunakan tipe simetris dengan output Plus (+), Ground dan minus (-).  Rangkaian Power supply dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Amplifier OCL 500 Watt Mono dan Stereo

Rangkaian power amplifier OCL pada umumnya memiliki daya keluaran 60 sampai 200 Watt. Dengan daya tersebut sebenarnya sudah mumpuni untuk kebutuhan kamar atau ruang pertemuan kecil.

Amplifier OCL menggunakan komponen aktif seperti transistor sebagai komponen penguatan. Rangkaian dengan transistor memiliki kelebihan yakni mudah dimodifikasi dan mudah di perbaiki jika sirkuit mengalami masalah atau kerusakan.

Skema amplifier 500 Watt dibawah ini adalah modifikasi dari rangkaian amplifier 150Watt. Komponen yang ditambahkan adalah transistor final dengan konfigurasi Push-Pull.

OCL atau Output Capacitor Less adalah sistem amplifier yang meniadakan kapasitor pada output rangkaian. Fungsi kapasitor ini adalah sebagai kopling dan filter sekaligus proteksi pada speaker apabia amplifier rusak.

Sistem ini menggunakan sumber tegangan simetris yaitu Positif (+), Negatif (-) dan Ground. Untuk membuat tegangan simetris diperlukan trafo CT dan rangkaian penyearah serta filter kapasitor dengan kapasitansi yang besar.

Sistem OCL memiliki kelebihan yaitu respon frekuensi yang lebar sehingga range frekuensi audio dapat di produksi dengan baik. Didukung oleh Transistor final dengan konfigurasi Push-Pull memberikan penguatan maksimal pada sinyal suara yang dihasilkan.

Skema Rangkaian Amplifier OCL 500 Watt

Skema diatas adalah rangkaian mono. Jika ingin membuat rangkaian stereo maka perlu dua buah rangkaian diatas untuk menguatkan inpul R dan L.

Daftar Komponen

Amplifier daya besar memerlukan sumber tegangan yang besar pula. Untuk menambah daya output pada rangkaian bukan hanya dengan menambah TR final, namun daya trao juga harus ditingkatkan. Pada amplifier daya besar, Trafo yang digunakan antara 10 sampai 20 Ampere.

Dioda juga harus disesuaikan untuk menyearahkan arus hingga 10A dan kapasitor filter harus memiliki kapasitansi yang besar agar tegangan ripple yang dihasilkan kecil. Tegangan ripple berpengaruh pada kualitas suara yang dihasilkan.

Skema Power Supply

Skema rangkaian diatas dapat menghasilkan output antara 400 sampai 500 watt. Besaran watt pada amplifier bergantung dari beberapa faktor, yakni rangkaian penguat Final dan kemampuan power supply dalam menyuplai arus.

Tips Membuat Rangkaian Penguat Daya (Amplifier)

  1. Gunakan komponen asli dan berkualitas. Misalkan saja Resistor menggunakan bahan metal film dengan toleransi 1% dan Transistor final menggunakan kompone ST asli.
  2. Gunakan Transformator 5A murni dan kapasitor filter kapasitansinya yang besar, sehingga menghasilkan ripple yang kecil. Tegangan ripple akan berpengaruh pada kualitas suara.
  3. Sebaknya gunakan Speaker Protektor agar melidungi speaker dari kerusakan akibat short circuit pada rangkaian amplifier.

Leave a Comment