Power Amplifier

12.4 Class B Amplifier Operation Problems (Fig 12.37)


1. Pendahuluan[Kembali]

    Penguat kelas B (Class B Amplifier) merupakan salah satu jenis penguat daya yang banyak digunakan dalam aplikasi radio frequency karena efisiensinya yang relatif tinggi dari Class A. Penguat kelas B bekerja dengan 2 transistor yang masing masing menguatkan setengah siklus dari sinyal input. Hal ini memungkinkan penghematan daya karena masing masing transistor hanya aktif selama setengah periode sinyal.

    Namun penguat kelas B memilki permasalahan utama yang dikenal sebagai crossover distortion. Distorsi ini terjadi di sekitar titik nol sinyal input, yaitu saat peralihan antara transistor positif dan negatif. Karena transistor tidak langsung menghantar saat tegangan input mendekati nol, terjadi jeda waktu singkat dimana tidak ada transistor yang aktif, menyebabkan bentuk gelombang output terdistorsi. Masalah ini sangat signifikan dalam aplikasi audio, karena dapat mengurangi kualitas suara secara nyata. Selain crossover distortion, penguat kelas B juga mengalami masalah di linearitas, stabilitas termal dan kesesuaian pasangan transistor.

2. Tujuan[Kembali]

  1. Memahami prinsip kerja penguat kelas B
  2. Mengidentifikasi permasalahan penguat kelas B 
  3. Menganalisis dampak dari distorsi terhadap kualitas sinyal output
  4. Mempelajari solusi teknis dari permasalahan

3. Alat dan Bahan[Kembali]

1. Transistor npn

    Sederhananya, transistor npn merupakan komponen elektronika yang terdiri dari dua semikonduktor tipe-n yang mengapit semikonduktor. Ketika sinyal kecil diberikan pada lapisan basis transistor, maka transistor NPN akan mengalirkan arus listrik dari lapisan kolektor ke lapisan emitor. Arus listrik yang mengalir melalui transistor dapat dikendalikan oleh sinyal kecil yang diberikan pada lapisan basis.

2. Dioda
    Berfungsi sebagai penyearah yang mengubah arus AC menjadi arus DC

3. Resistor
    Resistor adalah komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menghambat atau membatasi aliran arus listrik dalam suatu rangkaian, komponen ini digunakan untuk mengatur arus, membagi tegangan, melindungi komponen lain dari arus berlebih, dan sebagai bagian dari filter, pengatur waktu, atau pembentuk sinyal. Nilai hambatan resistor ditentukan oleh kode warna atau ditulis langsung pada bodinya.

4. Kapasitor
       Kapasitor berfungsi sebagai penyimpan energi, penghalang arus searah (DC), penyaring sinyal, dan pengatur waktu dalam rangkaian elektronik. Selain itu, kapasitor juga dapat digunakan sebagai kopling antar rangkaian, untuk menstabilkan tegangan, dan untuk memutus arus dalam rangkaian.

5. Oscilloscop

oscilloscop memiliki fungsi sebagai:
- melihat bentuk gelombang input
-mengukur frekuensi osilasi
-mengukur amplitudo dan teganagn DC offset
-menganalisis respons dinamis
-troubleshooting dan debugging

4. Dasar Teori[Kembali]

    Penguat kelas B bekerja dengan dua transistor dalam konfigurasi push-pull. Transistor Q1 menguatkan siklus positif dari sinyal input, sementara Q2 menguatkan bagian negatifnya. Titik tengah dari dua transistor langsung terhubung ke beban. Dengan demikian, beban menerima sinyal penuh dengan efisiensi daya lebih tinggi dibandingkan penguat kelas A.

Distorsi Crossover terjadi karena saat sinyal input mendekati nol volt, kedua transistor tidak sepenuhnya aktif, sehingga muncul celah sinyal. Untuk mengurangi ini, dioda digunakan untuk memberikan bias kecil agar transistor tetap berada di tepi aktif.

Class B amplifier adalah jenis penguat daya (power amplifier) yang dirancang untuk meningkatkan efisiensi dibandingkan penguat kelas A. Penguat ini bekerja dengan prinsip bahwa transistor konduksi hanya selama setengah siklus dari sinyal input (180° dari 360° total).

1. Prinsip Kerja

Class B amplifier menggunakan dua transistor (konfigurasi push-pull) di mana:

  • Satu transistor menguatkan siklus positif dari sinyal input.

  • Transistor lainnya menguatkan siklus negatif.
    Hal ini menghasilkan amplifikasi sinyal penuh (360°) secara keseluruhan jika keduanya digabungkan.

2. Konfigurasi Push-Pull

Dalam pengaturan push-pull:

  • Sinyal input dibagi menggunakan trafo atau rangkaian pembagi fase.

  • Dua transistor NPN dan PNP (atau dua NPN dengan trafo center-tapped) digunakan.

  • Output dikombinasikan pada beban (biasanya speaker).

3. Efisiensi

Efisiensi maksimum teoretis Class B adalah 78.5%, jauh lebih tinggi daripada Class A (~25-30%).

4. Crossover Distortion

Karena transistor hanya aktif saat tegangan basis melebihi tegangan ambang (sekitar 0.7V untuk BJT), terjadi crossover distortion di sekitar titik nol sinyal. Ini disebabkan oleh adanya celah di mana tidak ada transistor yang aktif.

5. Perbandingan dengan Class A dan AB

  • Class A: Selalu konduksi penuh (360°), tetapi boros daya.

  • Class AB: Kombinasi antara A dan B, menggunakan bias kecil agar crossover distortion berkurang.

  • Class B: Efisien tapi menghasilkan distorsi di titik transisi.

6. Aplikasi

Class B amplifier umum digunakan di:

  • Sistem audio (hi-fi, radio)

  • Pengeras suara

  • Sistem komunikasi daya menengah hingga tinggi

    

Berikut beberapa rumus yang ada pada Class B Amplifier:

1. Daya Input (DC)


2. Arus Rata-Rata (Average DC Current)

Dimana I(p) adalah arus puncak dari bentuk gelombang output

3. Gabungan Persamaan Daya Input


4. Daya Output (AC)
    
    Daya output yang dikirim ke beban (biasanya resistor RL) bisa dihitung dengan dua cara:

    1. Menggunakan tegangan RMS


    2. Menggunakan tegangan peak to peak

5. Efisiensi

6. Daya Disipasi Transistor

    1. Untuk kedua transistor :

    2. Untuk masing-masing transistor :
7. Daya Maksimum :
    1. Daya maksimum output pada beban ketika VL(p) = Vcc


    2. Daya maksimum input menggunakan arus maksimum :


    3. Efisiensi Maksimum :

    4. Daya disipasi transistor maksimum :


1.  Resistor


Simbol :
Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R).
Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.
Cara menghitung nilai resistor:
Tabel warna

Contoh :
Gelang ke 1 : Coklat = 1
Gelang ke 2 : Hitam = 0
Gelang ke 3 : Hijau   = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105
Gelang ke 4 : Perak  = Toleransi 10%
Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.




2. Transistor

Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.

2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.

3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.
 

Berfungsi sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung arus (switching), stabilisasi tegangan, dan modulasi sinyal. Selain itu, transistor biasanya juga dapat digunakan sebagai saklar dalam rangkaian elektronika. Jika ada arus yang cukup besar di kaki basis, transistor akan mencapai titik jenuh. Pada titik jenuh ini transistor mengalirkan arus secara maksimum dari kolektor ke emitor sehingga transistor seolah-olah short pada hubungan kolektor-emitor. Jika arus base sangat kecil maka kolektor dan emitor bagaikan saklar yang terbuka. Pada kondisi ini transistor dalam keadaan cut off sehingga tidak ada arus dari kolektor ke emitor. 


Rumus-rumus transistor:
Spesifikasi :
    • Bi-Polar Transistor
    • DC Current Gain (hFE) is 800 maximum
    • Continuous Collector current (IC) is 100mA
    • Emitter Base Voltage (VBE) is > 0.6V
    • Base Current(IB) is 5mA maximum
Konfigurasi Transistor
Konfigurasi Common Base adalah konfigurasi yang kaki Basis-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT.  Pada Konfigurasi Common Base, sinyal INPUT dimasukan ke Emitor  dan sinyal OUTPUT-nya diambil dari Kolektor, sedangkan kaki Basis-nya di-ground-kan. Oleh karena itu, Common Base juga sering disebut dengan istilah “Grounded Base”. Konfigurasi Common Base ini menghasilkan Penguatan Tegangan antara sinyal INPUT dan sinyal OUTPUT namun tidak menghasilkan penguatan pada arus.

Konfigurasi Common Collector (CC) atau Kolektor Bersama memiliki sifat dan fungsi yang berlawan dengan Common Base (Basis Bersama). Kalau pada Common Base menghasilkan penguatan Tegangan tanpa memperkuat Arus, maka Common Collector ini memiliki fungsi yang dapat menghasilkan Penguatan  Arus namun tidak menghasilkan penguatan Tegangan. Pada Konfigurasi Common Collector, Input diumpankan ke Basis Transistor sedangkan Outputnya diperoleh dari Emitor Transistor sedangkan Kolektor-nya di-ground-kan dan digunakan bersama untuk INPUT maupun OUTPUT. Konfigurasi Kolektor bersama (Common Collector) ini sering disebut juga dengan Pengikut Emitor (Emitter Follower) karena tegangan sinyal Output pada Emitor hampir sama dengan tegangan Input Basis.

Konfigurasi Common Emitter (CE) atau Emitor Bersama merupakan Konfigurasi Transistor yang paling sering digunakan, terutama pada penguat yang membutuhkan penguatan Tegangan dan Arus secara bersamaan. Hal ini dikarenakan Konfigurasi Transistor dengan Common Emitter ini menghasilkan penguatan Tegangan dan Arus antara sinyal Input dan sinyal Output. Common Emitter adalah konfigurasi Transistor dimana kaki Emitor Transistor di-ground-kan dan dipergunakan bersama untuk INPUT dan OUTPUT. Pada Konfigurasi Common Emitter ini, sinyal INPUT dimasukan ke Basis dan sinyal OUTPUT-nya diperoleh dari kaki Kolektor.

3. Dioda

Spesifikasi

Dioda adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Sebuah Dioda dibuat dengan menggabungkan dua bahan semi-konduktor tipe-P dan semi-konduktor tipe-N. Ketika dua bahan ini digabungkan, terbentuk lapisan kecil lain di antaranya yang disebut depletion layer. Ini karena lapisan tipe-P memiliki hole berlebih dan lapisan tipe-N memiliki elektron berlebih dan keduanya mencoba berdifusi satu sama lain membentuk penghambat resistansi tinggi antara kedua bahan seperti pada gambar di bawah ini. Lapisan penyumbatan ini disebut depletion layer.
 
Ketika tegangan positif diterapkan ke Anoda dan tegangan negatif diterapkan ke Katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias maju. Selama keadaan ini tegangan positif akan memompa lebih banyak hole ke daerah tipe-P dan tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke daerah tipe-N yang menyebabkan depletion layer hilang sehingga arus mengalir dari Anoda ke Katoda. Tegangan minimum yang diperlukan untuk membuat dioda bias maju disebut forward breakdown voltage.

Jika tegangan negatif diterapkan ke anoda dan tegangan positif diterapkan ke katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias terbalik. Selama keadaan ini tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke material tipe-P dan material tipe-N akan mendapatkan lebih banyak hole dari tegangan positif yang membuat depletion layer lebih besar dan dengan demikian tidak memungkinkan arus mengalir melaluinya. Kondisi ini hanya terjadi pada dioda yang ideal, kenyataannya arus yang kecil tetap dapat mengalir pada bias terbalik dioda.









Dioda dapat dibagi menjadi beberapa jenis:
1. Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.
2. Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.
3. Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan.
4. Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya.
5. Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali.

Untuk menentukan arus zenner  berlaku persamaan:
Keterangan:

Pada grafik terlihat bahwa pada tegangan dibawah ambang batas tegangan mundur (reverse) sebuah dioda akan tembus (menghantar) dan tidak bisa menahan lagi. Batas ini disebut dengan area tegangan breakdown dioda. Kondisi dioda pada area ini adalah tembus atau menghantar dan tidak menghambat. Kemudian pada level tegangan diantara tegangan breakdown dan tegangan forward terdapat area tegangan reverse dan tegangan cut off. Pada area ini kondisi dioda adalah menahan atau tidak mengalirkan arus listrik.

4. Kapasitor


Kapasitor berfungsi sebagai penyaring atau filter dalam sebuah rangkaian power supply (catu daya). Fungsi kapasitor sebagai pembangkit frekuensi pada alat osilator. Kapasitor berfungsi untuk menyimpan tegangan dan kuat arus pada periode tertentu. Pada rangkaian antena, fungsi kapasitor adalah sebagai frekuensi.

DataSheet :

Specification:

Capacitance: 100uF
Rated Voltage: 400V
Capacitance Tolerance: +/-20% (at 120Hz, 20℃)
Lead Type: Radial
Category Temperature Range: -40℃ to +105℃ (6.3~100V)
Life Span: 2000-3000h
Body Size: 18 x 30mm
Lead Length: 23mm, 28mm
Lead Space: 7.5mm
Lead Diameter: 0.8mm

Example

Pada rangkaian Class B Push Pull Amplifier ini Jawablah Soal Berikut !

1. Tentukan Po pada rangkaian ini !
Jawab :

2. Tentukan Pi pada rangkaian ini !
Jawab :
3. Tentukan %Efisiensi (%n) pada rangkaian ini !
Jawab :

Soal 
1. For a class B amplifier providing a 20-V peak signal to a 16Ohm load
(speaker) and a power supply of VCC = 30 V, determine the input power, output power,
and circuit efficiency.
Jawab :
  • Cari I pada beban IL(p) dan Idc :
  • Cari Daya Input, Daya Output dan Efisiensi :


2, For a class B amplifier using a supply of VCC = 30 V and driving a load of 16Ohm , determine the maximum input power, output power, and transistor dissipation.
Jawab :
  • Daya Output Maksimum :
  • Daya Input Maksimum :
  • % Efisiensi :
  • Disipasi Transistor :


3. Calculate the efficiency of a class B amplifier for a supply voltage of
VCC = 24 V with peak output voltages of:
a. VL(p) = 22 V.
b. VL(p) = 6 V.
Jawab :
  • % Efisiensi maksimum :
  • Dari rumus % efisiensi maksimum maka didapat :

Soal Pilihan Ganda
Dari rangkaian class b amplifier diatas, jawab soal dibawah ini :

1. With the Input of 12Vrms calculate the :
  • Input Power
        A. 66.75 W
        B. 67.75 W
        C. 65.57 W
        D. 66.57 W
  • Output Power
        A. 32.165 W
        B. 36. 152 W
        C. 36.125 W
        D. 34.125 W

Jawab :
    Input Power : B
    Output Power : C

2. 
With the Input of 12Vrms calculate the power handled by each output transistor (Daya Disipasi) Pq !
        A. 13.8 W
        B. 18.5 W
        C. 14.8 W
        D. 15.8 W

Jawab :
D

3. 
With the Input of 12Vrms calculate the circuit efficiency !
        A. 53.3%
        B. 54.5 %
        C. 75 %
        D. 53.4 %

Jawab :
A


5. Percobaan[Kembali]





6. Download File[Kembali]

Download Proteus Fig 12.37 [Klik DISINI]

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet Dioda [Klik Disini]

Datasheet Transistor [Klik Disini]

Datasheet Kapasitor [Klik Disini]

Komentar

Postingan populer dari blog ini