Senin, 18 Juli 2016

Kelas-kelas Daya pada Amplifier [Part 2]


.

Kelas-kelas Daya pada Power Amplifier Sound System - Melanjuti artikel sebelumnya tentang class daya pada Amplifier bagian 1. Power amplifier pada sirkuit tahap output memiliki spesifikasi khusus yang diklasifikasikan sebagai penguatan kelas A, B, AB dan C dalam mendesainnya, dan analog kelas D dan E untuk mengalihkan desain berdasarkan proporsi setiap siklus input atau sudut konduksi selama perangkat terjadi penguatan melewati tahap. Asfek dari sudut konduksi berasal dari penguatan sinyal sinusoidal dengan sudut yang terjadi sekitar 360 derajat. Jika terjadi hanya setengah dari setiap siklus maka sudut itu adalah 180 derajat. Sudut aliran sinyal ini berkaitan erat dengan penggunaan efisiensi pada Power Amplifier.

Dalam keterangan di bawah ini kita melihat persimpangan pada transistor bipolar ditampilkan sebagai perangkat untuk terjadinya penguatan dengan menggunakan Transistor MOSFET atau tabung vakum. Kelas daya Amplifier ini pernah saya tulis sebelumnya.

Sudut Konduksi pada Kelas Amplifier

Sudut Konduksi pada Kelas Amplifier dapat kita lihat di bawah ini
  • Amplifier Kelas A (Class-A)
  • Hampir 100% dari sinyal input yang digunakan dengan sudut konduksi T = 360 derajat. Elemen aktif tetap terjadi pada sepanjang waktu.
  • Amplifier Kelas B (Class-B)
    Kurang lebih 50% dari sinyal input yang digunakan dengan deviasi T = 180 derajat, elemen aktif membawa setengah saat ini setiap siklus, dan dimatikan untuk setengah lainnya.
  • Amplifier Kelas AB (Class-AB)
    Kelas AB adalah penengah antara kelas A dan B, dua elemen aktif melakukan lebih dari setengah dari waktu.
  • Amplifier Kelas C (Class-C)
    Kurang dari 50% dari sinyal input yang digunakan (sudut konduksi T 180 derajat).
  • Amplifier Kelas D (Class-D)
    Amplifier kelas D menggunakan beberapa bentuk modulasi pulsa lebar untuk mengontrol perangkat output. Sudut konduksi setiap perangkat tidak lagi berhubungan langsung dengan sinyal input melainkan bervariasi pada lebar pulsa. Kondisi ini seolah disebut digital amplifier karena perangkat output akan diaktifkan sepenuhnya atau dinonaktifkan. Kejadian ini tidak membawa arus sebanding dengan amplitudo sinyal.
  • Penguatan pada kelas tambahan yang lain, E, G dan H.(Tunggu postingan selanjutnya)

Ada beberapa kelas penguat lainnya dan ini merupakan pengembangan dari variasi kelas-kelas sebelumnya. Sebagai contoh, amplifier kelas E, G dan kelas H ditandai oleh variasi dari rel pasokan dalam langkah-langkah diskrit sinyal input secara terus menerus. Terbuang panas pada perangkat output yang dapat dikurangi sebagai kelebihan tegangan tersimpan menjadi minimum. Amplifier yang diberi suplai dengan rel ini sendiri dapat dari setiap kelas. Jenis-jenis amplifier yang lebih kompleks terutama digunakan untuk aplikasi khusus seperti unit daya tinggi. Pada Amplifier kelas-E dan kelas-F umumnya dijelaskan dalam penggunaan untuk aplikasi frekuensi radio di mana efisiensi kelas cukup penting. Kelas-kelas ini menggunakan tala harmonik jaringan output untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi serta dapat dianggap sebagai bagian dari kelas C karena karakteristik pada konduksi sudut.

1. Amplifier Kelas-A

Penguatan pada perangkat yang beroperasi di kelas A terjadi rentang seluruh siklus input. Kelas-A amplifier dibedakan dengan perangkat tingkat keluaran menjadi bias untuk operasi kelas A. Subclass A2 kadang-kadang digunakan untuk merujuk pada tabung vakum kelas-A tahap yang mendorong Grid Screen sedikit positif pada puncak sinyal untuk daya sedikit lebih dari kelas A normal. Grid screen selalu negatif dan akan menimbulkan distorsi sinyal yang lebih tinggi.

1.a. Kelebihan Amplifier kelas-A

Penggunaan Amplifier Kelas-A memiliki disain yang cukup simpel dari kelas-kelas lain seperti pada desain kelas-AB dan juga desain kelas-B yang memerlukan dua perangkat yang terhubung dalam rangkaian atau biasa disebut push-pull output, masing-masing dari sirkuit ini menangani satu setengah dari panjang gelombang. Pada penguatan kelas-A dapat menggunakan satu sirkuit dalam perangkat single-ended.

Tegangan bias diperkuat sehingga perangkat selalu bekerja dengan arus kolektor pada transistor (FET) yang paling linear dari kurva transkonduktansi-nya. Kinerja frekuensi dan umpan balik stabilitas berantai yang umumnya lebih baik tinggi dan biasanya orde tinggi lebih sedikit harmonik. Tentu saja permasalahan kecacatan crossover yang terkait dengan kelas-AB dan desain -B dapat dihindari.

1.b. Kekurangan Amplifier Kelas-A

Amplifier Kelas-A memang kurang efisien dalam penggunaannya. Secara teoritis efisiensi 50 persen dapat diperoleh dalam topologi push-pull (double), dan hanya 25% dalam topologi akhir dengan sistim tunggal. Tak masalah jika sirkuit sengaja dirancang menggunakan non linier. Penguatan dalam amplifier bukan pembuangan tenaga tetapi meningkatkan nilai operasi dan membutuhkan perangkat output dengan nilai yang lebih tinggi.

Ketidak efisiensi berasal dari kehadiran harus kira-kira setengah output arus maksimum. Sebagian besar dari tegangan listrik hadir di perangkat output pada level sinyal rendah. Jika daya keluaran tinggi yang dibutuhkan dari sirkuit kelas-A tentu saja power supply menjadi signifikan disertai panas. Untuk setiap daya dikirim ke beban penguat itu sendiri saat berbaik menggunakan daya ekstra. Pada power amplifier berdaya besar berarti sangat besar pasokan listrik dan penggunaan heat sink.

Desain Power Amplifier Kelas-A sebagian besar telah diperbaharui dengan desain yang lebih efisien meskipun masih cukup diminati dalam penggunanya. Harga komponen kelas-A amp yang mahal merupakan keinginan yang dianggap sebagai contoh audiophiles karena tidak ada distorsi crossover (distorsi harmonik order tinggi) serta mengurangi harmonik yang tak diinnginkan.

1.1. Amplifier Single-Ended Menggunakan Tabung Triode Kelas-A

Banyak orang yang masih memilih amplifier kelas-A dengan desain tabung (Tube termionik) yang bukan transistor. Alasannya adalah tahap Final Output Tunggal memiliki fungsi pentransferan sinyal asimetris. Ini berarti bahwa orde distorsi harmonic yang dibuat cenderung terlaksana. Pada komponen tabung atau Transistor MOSFET distorsi orde kedua harmonik dari karakteristik merupakan perpindahan hukum kuadrat yang menghasilkan suara yang bagus.
Penggunaan tabung dengan kelas A biasanya menghasilkan lebih sedikit distorsi dan harmonik. Kesejajaran dengan sirkuit simetris terlihat pada tahap output push-pull dengan level rendah yang seimbang. Amplifier tabung sering digunakan pada amplifier kelas-A, namun ukurannya yang besar dan juga cukup mahal. Oleh sebab itu banyak desain kelas-A hanya menggunakan satu buah Tube.

1.2. Amplifier Kelas-A Single-Ended Menggunakan Mosfet Transistor dan OP Amp

Penggunaan Transistor FET memang cukup murah namun dengan desain sirkuit yang lebih rumit dalam memberikan efisiensi yang cukup besar. Sebuah aplikasi sederhana pada perangkat penguat Kelas-A adalah pasangan Final panjang yang sangat linear. Ini membentuk dasar dari banyak sirkuit yang lebih kompleks yang di dalamnya termasuk audio amplifier dan Op Amp.

Amplifier Kelas-A yang sering menggunakan tahapan Op-amp output berkualitas tinggi. Keakuratan pada tegangan bias dalam nilai rendah pada IC Op-Amp dapat mengakibatkan perangkat kelas A atau kinerja kelas B dan kelas AB adalah sedikit bervariasi dalam temperatur/ suhu. Konsumsi daya yang tidak terkait dengan daya output. Saat idle atau tidak ada input maka konsumsi daya pada dasarnya sama seperti pada volume output tinggi, namun efisiensi yang rendah dan pembuangan panas yang tinggi..

2. Amplifier Kelas-B

Pada Amplifier kelas-B hanya memperkuat setengah dari siklus gelombang input sehingga menciptakan sejumlah besar distorsi. Efisiensi akan cenderung lebih mantap dari pada penguatan kelas A. Amplifier kelas-B ini bisa mudah dioperasikan dengan tegangan rendah, misalkan pada peralatan mainan dan juga radio menggunakan suplai batere.
Kelas B memiliki efisiensi teoritis dengan maksimum p/4 (~ 78,5%). Hal ini karena adanya unsur penguatan dimatikan sama sekali setengah dari waktu sehingga tidak dapat menghilangkan kekuatannya. Unsur pengutan kelas-B singel memang jarang ditemukan dalam praktek.

Sebuah rangkaian praktis menggunakan elemen kelas-B adalah tahap feedback, seperti pengaturan pasangan pelengkap yang sangat sederhana di bawah ini. Perangkat pelengkap atau quasi digunakan untuk memperkuat bagian yang berlawanan dari sinyal input kemudian digabungkan pada output.

Susunan ini memberikan efisiensi yang sangat baik, tetapi dapat memiliki kelemahan yang terdapat ketidaksesuaian kecil di cross-over wilayah bergabung antara dua bagian dari sinyal, sebagai salah satu perangkat output harus mengambil alih kekuasaan memasok persis seperti selesai lainnya. Ini disebut distorsi crossover. Perbaikan adalah untuk bias perangkat sehingga mereka tidak benar-benar off ketika mereka tidak digunakan. Pendekatan ini disebut kelas AB operasi.
Amplifier kelas B efisiensi lebih tinggi dari kelas A amplifier yang menggunakan perangkat aktif tunggal.

3. Amplifier Kelas-AB (Push-Pull)

Kelas AB secara luas dianggap sebagai kompromi yang baik untuk amplifier, karena banyak waktu sinyal musik cukup tenang yang sinyal tetap di wilayah kelas A, di mana hal itu diperkuat dengan kesetiaan yang baik, dan menurut definisi jika melewati keluar dari ini daerah, cukup besar bahwa produk distorsi khas kelas B yang relatif kecil. Crossover distorsi dapat dikurangi lebih lanjut dengan menggunakan umpan balik negatif.

3.a. Kinerja pada kelas-AB

Perangkat beroperasi dengan cara yang sama seperti di kelas B lebih dari setengah gelombang, tetapi juga melakukan sejumlah kecil pada setengah lainnya. Akibatnya, wilayah di mana kedua perangkat secara bersamaan hampir off berkurang. Hasilnya adalah bahwa ketika gelombang dari kedua perangkat digabungkan maka crossover sangat diminimalkan kerjanya, atau dihilangkan sama sekali. Pilihan yang tepat dari arus diam (standing arus melalui kedua perangkat ketika tidak ada sinyal) membuat perbedaan besar untuk tingkat distorsi (dan risiko pelarian termal, yang dapat merusak perangkat). Seringkali, tegangan bias diterapkan untuk mengatur arus diam ini harus disesuaikan dengan suhu transistor output. (Sebagai contoh, di sirkuit di awal artikel, dioda akan dipasang secara fisik dekat dengan transistor output, dan ditentukan untuk memiliki koefisien suhu cocok.) Pendekatan lain (sering digunakan dengan pelacakan termal tegangan bias) adalah untuk menyertakan resistor nilai kecil secara seri dengan emitter.

Penguat Kelas-AB mengorbankan beberapa efisiensi kelas B dalam mendukung linearitas sehingga kurang efisien (di bawah 78,5% untuk sine waves amplitudo penuh pada amplifier transistor, biasanya umum di kelas-AB amplifier tabung vakum). Hal ini biasanya jauh lebih efisien daripada kelas A.

4. Amplifier Kelas-C

Sebenarnya penguatan Kelas-C ini lebih dominan diaplikasikan pada penguat RF (Radio Frequency) atau iasa dipakai di pemancar. Tidak terlalu nyambung dengan pembahasan kita tentang Sound system. Jadi aplikasi ini mungkin menurut saya adalah Kelas-C ini jarang dipakai dalam rangkaian amplifier untuk sound system. Namun sekedar pengetahuan teoritis tak masalah bila saya sampaikan di sini karena mencakup pada seluruh sistim penguatan yang sudah ada dan menjadi pembelajaran umum.

Amplifier Kelas-C melakukan kurang dari 50% dari sinyal input dan distorsi pada output tinggi, tetapi efisiensi tinggi (hingga 90%) yang mungkin. Sinyal input digunakan untuk mengganti perangkat aktif menyebabkan arus pulsa terus mengalir melalui rangkaian yang terbentuk melalui bagian beban yang disetel (ditune).

5. Amplifier Kelas D

Amplifier Kelas-D secara luas digunakan untuk mengontrol alat motorik digital, namun ternyata bisa diterapkan sebagai audio power amplifier dengan penambahan sirkuit yang mengubah analog dengan lebar frekuensi denyut sinyal termodulasi jauh lebih tinggi menjadi sinyal audio.

Block Diagram Class D
Blok diagram

Amplifier Kelas-D menerapkan metode switching dasar atau PWM (Pulse Wave Modulation). Dalam amplifier kelas-D, perangkat aktif berupa transistor FET berfungsi sebagai saklar elektronik yang bukan merupakan perangkat gain linear baik dalam kondisi off atau on. Sinyal analog ini kemudian dikonversi menjadi aliran pulsa yang berfungsi mendampingi sinyal melalui teknik modulasi terkait sebelum disalurkan ke bagian akhir amplifier. Nilai rata-rata kekuatan pulsa berbanding lurus dengan sinyal analog sehingga amplifikasi sinyal dapat dikonversi kembali ke sinyal analog oleh pasif LPF (Low Pass Filter). Tujuan dari filter output ini adalah untuk melancarkan aliran sinyal pulsa menjadi analog serta menghilangkan spectral komponen high frekuensi dari pulsa yang berdenyut. Frekuensi pulsa output biasanya 10 kali lebih tinggi dari pada sinyal masukan dalam penguatan. Oleh sebab itu pemasangan filter yang memadai dapat mengurangi harmonik yang tidak kita inginkan serta cukup akurat dalam mereproduksi input.

5.a. Keuntungan Amplifier Kelas-D

Keunggulan utama dari penggunaan Amplifier kelas-D adalah efisiensi dalam pemakaian daya yang disebabkan karena pulsa output memiliki amplitudo yang stabil. Komponen switching dengan part MOSFET dapat diaktifkan dengan baik atau benar-benar off dan tidak dioperasikan dalam mode linear. MOSFET bekerja dengan resistensi rendah saat penuh dan memiliki disipasi daya rendah ketika dalam kondisi itu. Dibandingkan dengan perangkat kelas-AB setara dapat kita ketahui bahwa kerugian Amplifier kelas-D yang memperbolehkan penggunaan metal heatsink yang lebih kecil pada MOSFET untuk daya rendah. Sementara itu desain ini dapat mengurangi jumlah ampere yang diperlukan dan memungkinkan untuk kapasitas yang lebih rendah dalam mendesain power supply. Oleh sebab itu amplifier kelas-D biasanya lebih ramping dari yang setara Amplifier kelas-AB. Kelas D biasanya menggunakan trafo Toroid dalam menyalurkan beban output.

Modul Amplifier Kelas D
Modul Amplifier Kelas D

Kehandalan dari penguat kelas D adalah bahwa hal itu dapat beroperasi dari sumber sinyal digital tanpa memerlukan konversi dari Digital ke Analog (DAC) dalam mengkonversi sinyal ke bentuk analog yang pertama. Jika sumber sinyal dalam bentuk digital, misalnya di dalam media player digital maka sirkuit digital dapat mengubah sinyal digital biner langsung ke sinyal modulasi lebar pulsa yang diterapkan pada amplifier, dalam hal ini tentu sirkuit terlihat sederhana.

Beralih pada power suplai bahkan telah dimodifikasi menjadi amplifier mentah kelas-D. Biasanya ini hanya mereproduksi Low frekuensi dengan akurasi yang dapat diterima.
Amplifier Kelas-D pada daya audio kualitas tinggi telah banyak dipasarkan. Desain ini telah dikatakan menyaingi amplifier AB terdahulu dalam hal kualitas. Awal penggunaan amplifier kelas-D adalah daya tinggi pada Car Sound System pada power subwoofer amplifier. Subwoofer umumnya dengan bandwidth tidak lebih tinggi dari 150 Hz. Kecepatan proses switching sirkuit untuk penguat ini tidak harus setinggi untuk penguat lengkap. Ini memungkinkan Amplifier Kelas-D memiliki desain sederhana. Sirkuit ini telah diterapkan untuk mengemudikan subwoofer yang relatif murah dibandingkan dengan amplifier kelas-AB pada sound system mobil.

Amplifier Kelas-D dan juga kelas-E bukan bermaksud sebagai digital. Ini terlihat bahwa output gelombang dangkal menyerupai simbol rel pulsa digital. Amplifier Kelas-D hanya mengubah bentuk gelombang input menjadi sinyal analog yang termodulasi yang terus menerus dengan lebar pulsa (gelombang digital akan kode pulsa termodulasi.)

2. Amplifier Kelas-E, Kelas F, Kelas G dan Kelas H

Amplifier ini merupakan Kelas Tambahan yang merupakan pengembangan dari Kelas Amplifier di atas. Amplifier Kelas-E, Kelas-F, Kelas-G dan Amplifier Kelas-H akan saya kupas pada postingan berikutnya. Untuk Amplifier Kelas-H juga pernah saya bahas pada artikel sebelumnya yang memiliki kehandalan yang sangat baik.

Baca juga artikel atau materi sound system yang lain
Penutup
Rubrik ini saya baca dari sumber WIkipedia dan saya edit ulang (sederhanakan) agar mudah dipahamii. Ikuti Kelanjutan artikel berikutnya tentang Kelas-kelas Tambahan untuk Daya pada Power Amplifier Sound System.
Terimakasih atas kunjungan anda.


.

Share this