CHAPTER 12

POWER AMPLIFIERS

Fig. 12.18 dan Fig. 12.19

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

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.

Jenis-jenis power amplifier diklasifikasikan berdasarkan konfigurasi kerja dan efisiensinya, seperti kelas A, B, AB, dan kelas C, masing-masing 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. 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:

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

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:

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

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. Problem [kembali]

1. Distorsi (Distortion)

• Deskripsi: Sinyal output tidak sama persis dengan sinyal input karena penguatan tidak linier.

• Jenis:

  • Harmonik: Munculnya frekuensi tambahan.

  • Cross-over distortion: Umum terjadi di kelas B dan AB saat sinyal melewati titik nol (0V).

• Solusi: Gunakan biasing yang tepat (misalnya, dioda atau VBE multiplier) dan pastikan transistor aktif sebelum sinyal masuk.

2. Efisiensi Rendah

• Deskripsi: Sebagian besar daya listrik dari sumber berubah menjadi panas, bukan suara.

• Umum terjadi pada: Kelas A dan AB.

• Solusi: Gunakan desain efisien seperti kelas D untuk aplikasi tertentu atau manajemen termal yang baik.

3. Masalah Termal (Panas Berlebih)

• Deskripsi: Transistor daya menghasilkan panas yang signifikan, bisa menyebabkan kerusakan.

• Solusi:

  • Pasang heatsink atau kipas pendingin.

  • Tambahkan proteksi termal.

  • Gunakan transistor yang sesuai spesifikasinya.

4. Instabilitas atau Oscillasi

• Deskripsi: Amplifier menghasilkan sinyal tak diinginkan (suara mendengung atau berdengung terus).

• Penyebab: Tata letak PCB yang buruk, umpan balik (feedback) yang tidak stabil.

• Solusi:

  • Tambahkan komponen bypass dan decoupling.

  • Gunakan desain layout PCB yang baik.

5. Impedansi Tidak Sesuai

• Deskripsi: Beban (misalnya speaker) memiliki impedansi lebih rendah dari yang dirancang.

• Akibat: Overcurrent → transistor rusak.

• Solusi: Cocokkan impedansi output amplifier dengan speaker.

6. Suara Noise / Hum

• Deskripsi: Terdengar desis atau dengungan, bahkan saat tidak ada sinyal.

• Penyebab:

  • Grounding yang buruk.

  • Kabel sinyal dekat dengan sumber tegangan tinggi.

• Solusi: Perbaiki grounding, gunakan kabel shielded, tata ulang jalur arus.

7. Kualitas Komponen

• Deskripsi: Menggunakan transistor atau kapasitor kualitas rendah dapat menyebabkan performa buruk atau kerusakan dini.

• Solusi: Gunakan komponen berkualitas dan sesuai spesifikasi daya serta tegangan.

7. Soal Latihan [kembali]           

1. Sebuah power amplifier kelas AB menggunakan transistor NPN untuk menguatkan sinyal audio. Jika sinyal input yang diberikan pada amplifier adalah 1 V dengan impedansi input 10 kΩ, dan tegangan output yang dihasilkan adalah 10 V, hitunglah penguatan tegangan (voltage gain) amplifier tersebut!

Jawab:

$$A_v = \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}}}$$ $$A_v=\frac{10V}{1V}=10$$

2. Sebuah power amplifier digunakan untuk menggerakkan sebuah speaker dengan impedansi 8 Ω. Jika tegangan output puncak amplifier adalah 20 V, hitunglah daya output yang disalurkan ke speaker!

Jawab:

$$P_{\text{out}} = \frac{V_{\text{peak}}^2}{2 R_L}$$ $$P_{\text{out}}=\frac{(20{)}^2}{2\times 8}=\frac{400}{16}=25\text{W}$$

3. Sebuah power amplifier kelas AB mengkonsumsi daya 100 W dari sumber daya dan menghasilkan daya output 70 W. Hitunglah efisiensi amplifier tersebut.!

Jawab:

$$\eta = \frac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} \times 100\%$$ $$\eta = \frac{70}{100} \times 100\% = 70\%$$

                                                                                                                     

8. Percobaan [kembali]

9. Download File [kembali]

FIG. 12.18 [Klik Disini]

FIG. 12.19 [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