Coba pelajari skema ini (dan ini sudah di coba):
Ingin bicara langsung dengan saya seputar POWER AMPLIFIER berbasis implementasi TRANSISTOR BIPOLAR?
Temui saya di alamat saya:
HERU HIMAWAN TEJO LAKSONO
JL. K. A. SUIT TUBUN
KARANGSALAM KIDUL RT 002 / RW 005
PURWOKERTO 53152
JAWA TENGAH - INDONESIA
Silahkan simak teori perancangan saya berikut ini (rumus-rumus ekuasi tidak dapat saya perlihatkan disini).
Ini adalah hasil eksperimen jangka panjang, sejak tahun 1994 hingga 2008 bersama seorang rekan ilmuan lainnya.
Teori FundamentalSupaya lebih mudah memahami fundamental perancangan kami, berikut ini kami gambarkan skematik diagram dasar perancangan skematik kami.
Berikut ini teori fundamental perancangan kami:
1. Penguat daya audio dibagi menjadi 2 blok utama: penguat tegangan dan penguat arus
Penguat daya audio (baca: audio power amplifier), dibagai menjadi 2 blok utama yaitu penguat tegangan dan penguat arus.
Perumusan kami membedakan prinsip kerja antara dua blok utama sebagai berikut:
* Penguat tegangan tidak menguatkan arus dan daya, hanya menguatkan magnitud sinyal dan penguatan diluar penguatan arus atau daya lainnya.
* Penguat tegangan menguatkan tegangan DC, tetapi dibawah kontrol umpan-balik negatif hingga tingkat penguatan 0 (nol), tidak dibawah nol atau lebih dari nol.
* Penguat tegangan menguatkan tegangan AC, tetapi dibawah kontrol umpan-balik negatif hingga nilai kuadrat dari tegangan output.
* Penguat tegangan adalah sirkit transistor modus emitor bersama; output dari penguat tegangan adalah kolektor.
* Penguat tegangan menjadi 2 (dua) tingkat yaitu diferensial (penjeda antar muka) dan driver (kemudi). Driver merangkap fungsi sebagai pembalik pasa.
* Penguat arus juga penguat daya, menguatkan arus dan daya, tidak menguatkan tegangan dan tidak menguatkan magnitud sinyal.
* Penguat arus / daya dibagi menjadi 2 (dua) tingkat yaitu buffer (penyangga) dan output (tahap keluaran).
* Penguat arus / daya adalah sirkit transistor modus kolektor bersama atau sirkit pengikut tegangan; output dari penguat arus / daya adalah emitor.
2. Transistor output adalah penguat arus / daya linear, bukan saklar daya
"Transistor output adalah hambatan transisional (sesuai nama transistor diartikan sebagai 'transfer resistor') bekerja menghantarkan arus berdasarkan penguatan ikal tertutup berprinsip linear".
Tingkat penguat akhir bekerja secara linear dan berlaku sebagai resistor variabel berubah nilai sesuai level dan figur sinyal audio.
3. Penerapan "kaidah aliran funsional turunan"
Output penguat daya audio adalah aliran fungsional bersifat turunan dan aktif (sinyal audio bersiklus, maka dinyatakan aktif) dan selalu bernilai lebih kecil daripada aliran fungsional sumbernya, mengalami penurunan tegangan atau penurunan kuat arus; jika tegangan output sama atau lebih tinggi maka terjadi penurunan kuat arus, jika kuat arus dipertahankan maka tegangan output akan bernilai lebih rendah dari tegangan suplai.
Adalah tidak mungkin, mempertahankan tegangan output agar sama dengan tegangan suplai atau mungkin menaikannya. Hal ini keluar dari prinsip (dalam hal ini, kami tidak membahas penerapan transformator kopel output tipe step-up).
Dalam hal ini, efisiensi arus lebih dipertahankan dan tegangan output diproporsikan lebih rendah dari tegangan suplai guna menjaga kestabilan sirkit (dan memenuhi "kaidah aliran fungsional turunan" dimana jika arus dilewatkan tetap, maka konsekuensinya tegangan derivatif lebih rendah dari tegangan sumber).
Sesuai prinsip 2, maka suatu hal mutlak jika tegangan output harus bernilai lebih rendah daripada tegangan suplai dengan melihat kondisi sebagai berikut:
Transistor output berlaku sebagai resistor variabel, maka berfungsi sebagai rangkaian Thevenin bersama beban speaker berlaku sebagai resistor bernilai impedansi.
Tegangan output dihasilkan rangkaian Thevenin dibentuk transistor output dan beban speaker tentu akan lebih rendah daripada tegangan suplai, tetapi aliran arus pada titik pertemuan bernilai sama dengan arus suplai.
Sesuai prinsip 1, transistor output tidak menguatkan tegangan tetapi menguatkan arus dan daya.
4. Prinsip kerja penguat daya audio adalah kebalikan dari prinsip kerja penyearah arus gelombang penuh
Prinsip kerja penguat audio berlawanan terhadap penyearah arus gelombang penuh:
* Penyearah gelombang penuh mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.
* Penguat daya audio beroperasi dengan tegangan suplai DC dan mengubahya menjadi sinyal AC bervariasi mengikuti perubahan sinyal audio.
Jika tegangan DC dihasilkan penyearah arus gelombang penuh adalah sebesar 1 x sqrt(2) x tegangan sumber AC, maka tegangan sinyal output penguat daya audio bernilai 1/sqrt(2) x tegangan sumber DC.
Prinsip ini sesuai prinsip ke-3, tegangan output lebih kecil dari tegangan suplai.
5. Penguat akhir sebagai penguat arus linear, bukan penguat tegangan DC
Penguat audio daya tinggi menghasilkan output gelombang AC. Pasa setiap paruh siklusnya tidak akan mungkin menyamai tegangan suplai; sebab, transistor tahap keluaran daya juga berimpedansi tertentu diperhitungkan secara proporsional agar tidak "berubah sifat dari penguat linear menjadi saklar daya atau berubah dari pengubah arus DC menjadi AC menuju pensaklar arus DC dari pencatu daya menuju loudspeaker". Dalam hal ini, tegangan output diproporsikan sesuai prinsip 3 dan 4.
Dengan memproporsikan tegangan output bernilai lebih rendah dari tegangan suplai sesuai prinsip 3 dan 4, efisiensi kuat arus justru dapat dipertahankan. Inilah maksud "penguat akhir sebagai penguat arus linear, bukan penguat tegangan".
Dengan perhitungan berdasarkan prinsipal ini, transistor tahap output dapat bekerja secara aman dan efektif dengan menjadikannya hambatan variabel aktif bekerja menguatkan sinyal dan daya sesuai prinsip 1 dan 2, tetapi tidak menguatkan tegangan DC, penguatan arus derivatif akan berbanding 1 (satu) atau "linear" terhadap arus suplai.
6. Penguatan arus antar penguat daya (output terhadap buffer) berdasarkan nilai tegangan suplai
Penguatan arus setiap tahap penguat daya (output terhadap buffer) adalah hasil perkalian nilai penguatan penguat sebelumnya dengan tinggi tegangan suplai.
Catatan: Penguatan arus dimaksud disini adalah penguatan linear antar tingkat penguat penguat daya (buffer menuju output), bukan nilai penguatan BETA atau ALPHA diperhitungkan berdasarkan karakter hFE.
Penguatan tidak diperhitungkan menurut karakter hFE tertera pada buku manual transistor (ingat, apa yang tertera pada buku manual adalah karakter individual yang berakibat fatal jika dipaksakan pada sistem integral semacam penguat daya audio). Perlu dicatat, karakter hFE transistor hanya berlaku pada penguat sinyal statik dan penguat arus DC.
Pada penguat aktif tersusun dari banyak tingkat tanpa kopling dan bekerja dengan ikal tertutup berumpan-balik negatif direktif, nilai penguatan suatu transistor bipolar dapat diterapkan hingga melampaui karakter hFE. Sebagai contoh, transistor tipe 2SC2922 + 2SA1216 dengan hFE = 30, tetapi dapat dirancang supaya bekerja aman sebagai penguat output hingga berpenguatan 42 jika diterapkan pada penguat daya audio 115 watt untuk speaker 8-ohm, dengan tegangan suplai DC 42V.
Bagaimana mungkin?
Ini adalah hal mungkin:
Jika hFE bernilai N pada operasi DC berlebar pulsa maksimum TMAX, lebar pulsa frekuensi audio terendah diterapkan adalah TS, dan ternyata TS lebih pendek daripada TMAX terhadap perbandingan TMAX/TS, maka nilai penguatan maksimum (diluar prinsip ini) adalah (TMAX/TS) x N. Lebar pulsa operasi DC rata-rata dinyatakan 1S (1 detik) untuk frekuensi 1 Hz. Maka pada transistor 2SC2922 + 2SA1216, penguatan maksimum pada frekuensi 20 Hz adalah (1/(1/20)) x 30 = 600.
Perlu dicatat, penguat daya audio beroperasi dengan ikal tertutup berumpan-balik negatif AC dan DC, dimana umpan-balik tegangan DC dirancang berpenguatan 0 (nol) dan bukan 1 (satu). Pada saat penguat output menguatkan tegangan DC, maka pada saat bersamaan sistem umpan-balik negatif DC melawan penguatan DC tanpa toleransi (secara ideal menghasilkan tegangan output nol dalam keadaan stasioner; tetapi dalam prakteknya sering timbul tegangan offset). Pergantian antara pembangkitan tegangan DC tiap penguat dan penindasan tegangan DC umpan-balik negatif berlangsung sangat cepat dan terjadi secara linear (sepadan dan terus-menerus), dengan demikian dihasilkan nilai T (pewaktuan pulsa) "amat-sangat pendek" (pada penguat linear, nilai pulsa ini bahkan diasumsikan sebagai T = 0 detik), maka sebenarnya penguatan arus tiap blok penguat dapat dibuat sangat tinggi dengan mengabaikan frekuensi terendah.
Mengapa bertumpu tegangan suplai? Ingat, tegangan suplai adalah tumpuan operasional semua penguat dalam sirkit inti penguat daya audio. Jika arus adalah sepadan, maka penguatan tegangan bernilai pelipatan. Pelipatan adalah nilai potensial dihasilkan perkalian, sedangkan tegangan adalah beda potensial dari dua titik berlawanan. Penguatan arus sebagai nilai potensial tentu harus dikalikan berdasarkan bilangan berasal dari sesuatu yang memiliki "perbedaan potensial", salah satu kutub bernilai nol dan kutub lain bernilai bukan nol (bisa kurang dari nol atau lebih dari nol); dalam hal ini, penguatan arus dihasilkan perkalian dengan salah satu faktor berupa nilai beda potensial tertinggi atau terendah (dibawah nol) yaitu tegangan suplai. Mengapa bukan tegangan output sebagai faktor pengali untuk menghasilkan nilai penguatan arus? Ingat, tegangan output adalah sinyal AC dengan nilai dari setiap pasanya saling meniadakan sehingga menghasilkan beda potensial 0 (nol) jika disetarakan tegangan DC.
7. Penerapan penahan transien prematur penguat output adalah mutlak
Penahan transien prematur berupa komponen resistor dipasang pada setiap transistor penguat output.
Penting untuk dicatat:
Penahan transien prematur transistor output berfungsi menahan kelebihan arus emitor transistor output tersebut, dan sebagai media pembebanan daya prematur transien. Kelebihan arus emitor transistor output bukan akibat penjumlahan arus basis dan arus kolektor, tetapi akibat adanya *sinyal transien prematur bermagnitud sebesar 1V RMS atau sebesar 1.4142135623731 Volt.
(*) Sinyal transien prematur ini sebenarnya dibangkitkan blok penguat kemudi (driver) yakni bagian pembagi pasa berupa tegangan bias stasioner sebesar 1.1 V. Pada saat terjadi penguatan, nilainya meningkat menjadi hampir setara 2 x ukuran tegangan dioda basis-emitor (0.7 V) dari transistor frekuensi rendah. Ini diakibatkan umpan-balik AC diferensial, dimana umpan-balik AC penguat diferensial tidak akan melakukan "loop off" dan "cut off" sebelum transistor output berkonduksi hingga batas impedansi proporsional terhadap kuat arus dan tegangan output. Arus sinyal transien ini juga diperkuat transistor output hingga memiliki nilai kuat arus sama dengan kuat arus dihasilkan penguatan sinyal sebenarnya. Maka, disamping penguat output menghasilkan daya disipasi riil juga menghasilkan daya transien prematur.
Meskipun bermagnitud rendah hanya seukuran 1 V RMS, tetapi sinyal transien prematur ini berdaya cukup besar dan berakibat fatal terhadap transistor-transistor penguat output, yakni menyebabkan kelebihan beban (overload) dimana transistor penguat output harus menanggung beban disipasi riil dan daya transien prematur pada saat bersamaan dalam tiap sekuen penguatan. Kelebihan arus dan daya transien prematur ini menyebabkan kerusakan transistor output.
8. Penerapan 5 pasang transitor penguat output dengan penahan transien prematur terpisah
Maret 2006, kami menemukan suatu gejala merusak terhadap tahap penguat daya - kerusakan transistor buffer diikuti rusaknya transistor output. Kerusakan disebebakan "kelebihan beban daya pindahan transistor output menuju transistor buffer" akibat daya transien prematur emitor transistor output lebih besar daripada daya transistor buffer.
Dengan menerapkan 5 pasang transistor penguat output, maka didapatkan perbandingan mendekati 1:1 antara daya buffer dan daya transien prematur emitor tiap transistor penguat output. Dengan demikian tidak akan terjadi kelebihan beban daya transistor buffer.
9. Bias maju stasioner buffer berbeda terhadap bias maju buffer modus penguatan
Dengan menerapkan prinsip ini, buffer sebagai bagian penyangga penguatan daya tidak akan mengalami *bias-overflow (kelebihan arus bias) disebabkan **tegangan inversi abstrak dibangkitkan driver.
Penting untuk dicatat:
Bias maju buffer modus penguatan dikerjakan transistor driver dan impedansinya diatur secara automatis oleh umpan-balik negatif penguat diferensial. Pada saat transistor driver dalam keadaan senggang, impedansinya naik menuju nilai cukup tinggi dan pembiasan buffer berubah menuju modus stasioner.
Bias maju modus stasioner buffer ini nilainya harus disamakan dengan impedansi transistor driver pada saat transistor driver dalam keadaan senggang. Dengan demikian, terjadi keseimbangan impedansi pada semua sisi penguat daya; menjadikan penguat daya audio pada tingkat presisional maksimum.
(*) Bias-overflow menyebabkan transistor buffer menguatkan arus terlalu sarat pada saat transistor driver dalam keadaan senggang, menyebabkan cacat timpang penguatan tinggi diantara dua sisi tingkat penguatan daya: salah satu sisi tingkat penguatan daya menghasilkan magnitud sinyal lebih tinggi dari sisi lainnya.
(**) Teganagan inversi abstrak adalah tegangan dihasilkan driver amplifier (penguat kemudi) pada saat transistor driver dalam situasi senggang, dimana pasa tegangan kolektor bebalik kearah berlawanan dan mengalir kearah beban kolektor transistor driver (beban kolektor transistor driver ini juga berfungsi sebagai hambatan pembias maju dari transistor buffer).
Fenomena ini kami temukan pada tahun 2003.
10. Pembagi pasa dan pembias mundur buffer adalah resistor bernilai tetap
Catatan:
Banyak rancangan sirkit inti penguat daya audio menerapkan pembias mundur buffer modus aktif berupa "sirkit pengatur tegangan SUN" dengan satu atau lebih transistor sebagai penguat. Penerapan ini sebenarnya cukup riskan: dimana pada saat ruangan tempat sirkit inti mengalami kenaikan temperatur, transistor penguat tersebut mengalami "thermal drift". Berdasar penemuan kami pada tahun 2005, thermal drift mengakibatkan malfungsi transistor pembias mundur buffer modus aktif; akibat thermal drift, impedansi transistor pembias mundur buffer modus aktif ini bukannya menurun, tetapi naik hingga beberapa puluh ohm diatas perhitungan hingga menyebabkan naiknya arus bias maju pada basis-basis transistor buffer.
Sirkit inti penguat daya audio tidak menerapkan pembias mundur buffer modus aktif, tetapi pembias mundur buffer modus pasif dengan hanya 1 komponen resistor bernilai tetap.
11. Driver (penguat kemudi) dengan kontrol penguatan statik emitor
Kontrol penguatan statik diterapkan pada emitor transistor driver untuk menjaga kestabilan penguat pada tahap pembalikan pasa dan tahap integrasi direktif. Kontrol ini bekerja secara statik dan tidak terpengaruh kontrol umpan-balik negatif penguat diferensial.
Catatan:
Banyak terdapat rancangan penguat daya audio tidak menerapkan teknik semacam ini sehingga menyebabkan cacat penguatan frekuensi tinggi. Anda mungkin sering menjumpai peralatan penguat daya audio menghasilkan nada trebel dari suara rekaman simbal terdengar "berdecak" atau terdengar seperti bunyi "seseorang berjalan dengan sandal jepit diseret"; salah satu penyebab dari cacat suara semacam itu adalah kesalahan rancangan driver tanpa kontrol penguatan statik.
12. Penguatan diferensial hanya satu tingkat dengan output diferesial direksional
Catatan: Perancangan penguat daya audio kami tidak menerapkan penguat diferesial lebih dari satu tingkat. Output dari penguat diferensial bermodus direksional.
13. Menerapkan penindas tegangan offset automatis bersama penguat diferensial
Penindas tegangan offset automatis bersama penguat diferensial bekerja memanfaatkan umpan-balik negatif untuk menindas tegangan offset akibat "perbedaan karakter" antara dua transistor diferensial. Penindas tegangan offset automatis ini dilengkapi deteksi tegangan suplai untuk menghilangkan interferensi tegangan suplai tidak stabil terhadap deteksi tegangan offset. Dengan penerapan teknik ini, penguat daya audio dapat dirancang menjadi penguat daya sangat stabil, bebas dari tegangan offset penyebab bocoran tegangan DC (DC leaks).
14. Menerapkan kontrol integrasi direktif
Kontrol integrasi driver diterapkan dengan modus direktif atau lebih dikenal self-integration yaitu berupa kapasitor dipasang pada basis dan kolektor driver.
Penting!
Fundamental perancangan kami tidak menerapkan kontrol integrasi bersama umpan-balik negatif. Kontrol umpan-balik negatif harus bekerja pada band-width cukup lebar dan sinkronis terhadap penguatan tahap output / disipasi daya (frekuensi umpan-balik negatif tidak boleh dibatasi atau diperlebar, reaksinya tidak boleh tertunda atau dipercepat) untuk menjaga tingkat akurasi maksimum pada proses penindasan penguatan DC.
15. Tahap masukan sinyal (input) menerapkan kopling
Perancangan penguat daya kami tidak menerapkan modus masukan sinyal secara langsung (none-coupled input). Penerapan kopling pada tahap masukan sinyal adalah prasyarat fundamental.
Penting untuk dicatat:
* Penguat daya audio bukanlah penguat DC.
* Referensi impedansi diterapkan pada masukan positif penguat diferensial bukanlah referensi impedansi bebas, maka referensi impedansi ini tidak boleh diubah impedansi output sumber sinyal atau impedansi output peralatan penguat eksternal.
