Penguat (Amplifier) Kelas A
Penguat (Amplifier) common emitter adalah jenis penguat amplifier yang paling umum digunakan karena mereka dapat memiliki gain tegangan yang sangat besar. Penguat Common Emitter (CE) dirancang untuk menghasilkan ayunan tegangan output besar dari tegangan sinyal input yang relatif kecil hanya beberapa millivolt dan digunakan terutama sebagai "penguat sinyal kecil" seperti yang kita lihat dalam tutorial sebelumnya.
Namun, kadang-kadang diperlukan penguat atau amplifier untuk menggerakkan beban resistif besar seperti speaker atau untuk menggerakkan motor dalam robot dan untuk jenis penerapan/aplikasi ini di mana arus switching yang tinggi diperlukan dibutuhkan Power Amplifier (penguat daya).
Fungsi utama dari Penguat Daya (Power Amplifier), yang juga dikenal sebagai "penguat sinyal besar" adalah untuk memberikan daya, yang merupakan produk dari tegangan dan arus ke beban.
Pada dasarnya penguat daya juga merupakan penguat tegangan perbedaannya adalah bahwa resistansi/hambatan beban yang terhubung ke output relatif rendah, misalnya speaker 4Ω atau 8Ω yang menghasilkan arus tinggi yang mengalir melalui kolektor transistor. Karena arus beban tinggi ini, transistor output yang digunakan untuk tahap output power amplifier seperti 2N3055 perlu memiliki tegangan dan peringkat daya yang lebih tinggi daripada yang umum digunakan untuk penguat sinyal kecil seperti BC107.
Karena kami tertarik untuk memberikan daya AC maksimum ke beban, sambil mengonsumsi daya DC minimum dari supply, kami lebih mementingkan “efisiensi konversi” penguat (amplifier). Namun, salah satu kelemahan utama dari power amplifier dan terutama penguat Kelas A adalah bahwa efisiensi konversi keseluruhannya sangat rendah karena arus besar berarti bahwa sejumlah besar daya hilang dalam bentuk panas.
Persentase efisiensi dalam penguat (amplifier) didefinisikan sebagai daya output rms yang hilang dalam beban dibagi dengan total daya DC yang diambil dari sumber supply seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Dimana:
Transistor selalu bias "ON" sehingga melakukan selama satu siklus lengkap dari bentuk sinyal input menghasilkan distorsi minimum dan amplitudo maksimum dari sinyal output. Ini berarti bahwa konfigurasi Penguat Kelas A adalah mode operasi yang ideal, karena tidak ada distorsi crossover atau switch-off ke bentuk gelombang output bahkan selama setengah negatif dari siklus.
Tahap output power amplifier Kelas A dapat menggunakan transistor daya tunggal atau pasangan transistor yang terhubung bersama untuk berbagi arus beban tinggi. Pertimbangkan rangkaian penguat Kelas A di bawah ini.
Ini adalah jenis paling sederhana dari rangkaian power amplifier Kelas A. Ia menggunakan transistor berujung tunggal untuk tahap outputnya dengan beban resistif yang terhubung langsung ke terminal Collector.
Ketika transistor beralih "ON", ia akan menenggelamkan arus output melalui Collector yang menghasilkan penurunan tegangan yang tidak terhindarkan pada resistansi Emitter sehingga membatasi kemampuan output negatif.
Efisiensi dari jenis rangkaian ini sangat rendah (kurang dari 30%) dan menghasilkan output daya yang kecil untuk pengaliran besar pada catu daya DC. Penguat Kelas A melewati arus beban yang sama bahkan ketika tidak ada sinyal input yang diterapkan sehingga heatsink besar diperlukan untuk transistor output.
Namun, cara sederhana lain untuk meningkatkan kapasitas penanganan arus rangkaian, sementara pada saat yang sama memperoleh penguatan daya yang lebih besar adalah mengganti transistor output tunggal dengan Transistor Darlington.
Jenis perangkat ini pada dasarnya adalah dua transistor dalam satu paket, satu "pilot" kecil transistor dan satu lagi transistor "switching" yang lebih besar. Kelebihan besar dari perangkat ini adalah bahwa impedansi input cukup besar sedangkan impedansi output relatif rendah, sehingga mengurangi kehilangan daya dan karenanya panas dalam perangkat switching.
Keseluruhan arus gain Beta (β) atau nilai hfe dari perangkat Darlington adalah hasil dari dua gain individual dari transistor yang dikalikan bersama dan nilai β yang sangat tinggi bersama dengan arus Collector yang tinggi dimungkinkan dibandingkan dengan rangkaian transistor tunggal.
Untuk meningkatkan efisiensi daya penuh penguat Kelas A, dimungkinkan untuk merancang rangkaian dengan trafo yang terhubung langsung di rangkaian Collector untuk membentuk rangkaian yang disebut Gabungan Transformator Amplifier. Transformator meningkatkan efisiensi penguat (amplifier) dengan mencocokkan impedansi beban dengan output penguat menggunakan rasio belokan ( n ) transformator dan contohnya diberikan di bawah ini.
Sebagai arus Collector, Ic dikurangi hingga di bawah titik-Q diam yang diatur oleh tegangan bias base, karena variasi arus base, fluks magnet pada inti trafo runtuh yang menyebabkan ggl yang diinduksi dalam belitan primer transformator.
Hal ini membuat tegangan collector seketika menjadi naik ke nilai dua kali tegangan supply 2Vcc memberikan arus collector maksimum dua kali Ic pada saat tegangan Collector minimum. Maka efisiensi dari konfigurasi penguat Kelas A ini dapat dihitung sebagai berikut.
Tegangan Collector r.m.s. diberikan sebagai:
Arus Collector r.m.s. diberikan sebagai:
Karenanya, Power/Daya r.m.s. yang dikirim ke beban (Pac) diberikan sebagai:
Power/Daya rata-rata yang diambil dari supply (Pdc) diberikan oleh:
dan karena itu efisiensi Penguat (Amplifier) Kelas-A diberikan sebagai:
Trafonsformator output meningkatkan efisiensi penguat dengan mencocokkan impedansi beban dengan impedansi output penguat (amplifier). Dengan menggunakan transformator output atau sinyal dengan rasio belokan yang sesuai, efisiensi penguat kelas-A mencapai 40% dimungkinkan dengan penguat daya jenis pengaut Kelas-A yang tersedia secara komersial dengan jenis konfigurasi ini.
Namun, transformator adalah perangkat induktif karena belitan dan intinya sehingga penggunaan komponen induktif dalam rangkaian switching amplifier sebaiknya dihindari karena setiap ggl kembali yang dihasilkan dapat merusak transistor tanpa perlindungan yang memadai.
Kelemahan besar lainnya dari jenis trafo yang digabungkan dengan rangkaian penguat ini adalah biaya dan ukuran tambahan dari trafo audio yang dibutuhkan.
Jenis "Kelas" atau klasifikasi yang diberikan penguat benar-benar tergantung pada sudut konduksi, porsi 360° dari siklus bentuk gelombang input, di mana transistor melakukan. Pada penguat Kelas A, sudut konduksi adalah penuh 360° atau 100% dari sinyal input, sedangkan di kelas penguat lainnya transistor melakukan selama sudut konduksi lebih rendah.
Dimungkinkan untuk mendapatkan output daya dan efisiensi yang lebih besar daripada penguat Kelas A dengan memakai dua transistor komplementer pada tahap output dengan satu transistor menjadi tipe transistor NPN atau N-channel sedangkan transistor lainnya adalah transistor PNP atau channel-P (melengkapi) jenis yang terhubung dalam apa yang disebut konfigurasi "push-pull".
Jenis konfigurasi penguat daya ini umumnya disebut Penguat (Amplifier) Kelas B dan merupakan jenis lain dari rangkaian penguat audio yang akan kita lihat di tutorial berikutnya.
Namun, kadang-kadang diperlukan penguat atau amplifier untuk menggerakkan beban resistif besar seperti speaker atau untuk menggerakkan motor dalam robot dan untuk jenis penerapan/aplikasi ini di mana arus switching yang tinggi diperlukan dibutuhkan Power Amplifier (penguat daya).
Fungsi utama dari Penguat Daya (Power Amplifier), yang juga dikenal sebagai "penguat sinyal besar" adalah untuk memberikan daya, yang merupakan produk dari tegangan dan arus ke beban.
Pada dasarnya penguat daya juga merupakan penguat tegangan perbedaannya adalah bahwa resistansi/hambatan beban yang terhubung ke output relatif rendah, misalnya speaker 4Ω atau 8Ω yang menghasilkan arus tinggi yang mengalir melalui kolektor transistor. Karena arus beban tinggi ini, transistor output yang digunakan untuk tahap output power amplifier seperti 2N3055 perlu memiliki tegangan dan peringkat daya yang lebih tinggi daripada yang umum digunakan untuk penguat sinyal kecil seperti BC107.
Karena kami tertarik untuk memberikan daya AC maksimum ke beban, sambil mengonsumsi daya DC minimum dari supply, kami lebih mementingkan “efisiensi konversi” penguat (amplifier). Namun, salah satu kelemahan utama dari power amplifier dan terutama penguat Kelas A adalah bahwa efisiensi konversi keseluruhannya sangat rendah karena arus besar berarti bahwa sejumlah besar daya hilang dalam bentuk panas.
Persentase efisiensi dalam penguat (amplifier) didefinisikan sebagai daya output rms yang hilang dalam beban dibagi dengan total daya DC yang diambil dari sumber supply seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Efisiensi Penguat Daya (Power Amplifier)
- η% - adalah efisiensi dari penguat (amplifier).
- Pout - adalah daya output penguat (amplifier) yang dikirim ke beban.
- Pdc - adalah daya DC yang diambil dari supply.
Penguat (Amplifier) Kelas A
Jenis yang paling umum digunakan konfigurasi penguat daya atau power amplifier adalah penguat Kelas A. Penguat Kelas A adalah bentuk paling sederhana dari penguat daya yang menggunakan transistor switching tunggal dalam konfigurasi rangkaian common emitter standar seperti yang terlihat sebelumnya untuk menghasilkan output terbalik.Transistor selalu bias "ON" sehingga melakukan selama satu siklus lengkap dari bentuk sinyal input menghasilkan distorsi minimum dan amplitudo maksimum dari sinyal output. Ini berarti bahwa konfigurasi Penguat Kelas A adalah mode operasi yang ideal, karena tidak ada distorsi crossover atau switch-off ke bentuk gelombang output bahkan selama setengah negatif dari siklus.
Tahap output power amplifier Kelas A dapat menggunakan transistor daya tunggal atau pasangan transistor yang terhubung bersama untuk berbagi arus beban tinggi. Pertimbangkan rangkaian penguat Kelas A di bawah ini.
Rangkaian Penguat (Amplifier) Satu Tahap
Ini adalah jenis paling sederhana dari rangkaian power amplifier Kelas A. Ia menggunakan transistor berujung tunggal untuk tahap outputnya dengan beban resistif yang terhubung langsung ke terminal Collector.
Ketika transistor beralih "ON", ia akan menenggelamkan arus output melalui Collector yang menghasilkan penurunan tegangan yang tidak terhindarkan pada resistansi Emitter sehingga membatasi kemampuan output negatif.
Efisiensi dari jenis rangkaian ini sangat rendah (kurang dari 30%) dan menghasilkan output daya yang kecil untuk pengaliran besar pada catu daya DC. Penguat Kelas A melewati arus beban yang sama bahkan ketika tidak ada sinyal input yang diterapkan sehingga heatsink besar diperlukan untuk transistor output.
Namun, cara sederhana lain untuk meningkatkan kapasitas penanganan arus rangkaian, sementara pada saat yang sama memperoleh penguatan daya yang lebih besar adalah mengganti transistor output tunggal dengan Transistor Darlington.
Jenis perangkat ini pada dasarnya adalah dua transistor dalam satu paket, satu "pilot" kecil transistor dan satu lagi transistor "switching" yang lebih besar. Kelebihan besar dari perangkat ini adalah bahwa impedansi input cukup besar sedangkan impedansi output relatif rendah, sehingga mengurangi kehilangan daya dan karenanya panas dalam perangkat switching.
Konfigurasi Transistor Darlington
Keseluruhan arus gain Beta (β) atau nilai hfe dari perangkat Darlington adalah hasil dari dua gain individual dari transistor yang dikalikan bersama dan nilai β yang sangat tinggi bersama dengan arus Collector yang tinggi dimungkinkan dibandingkan dengan rangkaian transistor tunggal.
Untuk meningkatkan efisiensi daya penuh penguat Kelas A, dimungkinkan untuk merancang rangkaian dengan trafo yang terhubung langsung di rangkaian Collector untuk membentuk rangkaian yang disebut Gabungan Transformator Amplifier. Transformator meningkatkan efisiensi penguat (amplifier) dengan mencocokkan impedansi beban dengan output penguat menggunakan rasio belokan ( n ) transformator dan contohnya diberikan di bawah ini.
Rangkaian Gabungan Trafo Penguat (Amplifier)
Sebagai arus Collector, Ic dikurangi hingga di bawah titik-Q diam yang diatur oleh tegangan bias base, karena variasi arus base, fluks magnet pada inti trafo runtuh yang menyebabkan ggl yang diinduksi dalam belitan primer transformator.
Hal ini membuat tegangan collector seketika menjadi naik ke nilai dua kali tegangan supply 2Vcc memberikan arus collector maksimum dua kali Ic pada saat tegangan Collector minimum. Maka efisiensi dari konfigurasi penguat Kelas A ini dapat dihitung sebagai berikut.
Tegangan Collector r.m.s. diberikan sebagai:
Arus Collector r.m.s. diberikan sebagai:
Karenanya, Power/Daya r.m.s. yang dikirim ke beban (Pac) diberikan sebagai:
Power/Daya rata-rata yang diambil dari supply (Pdc) diberikan oleh:
Pdc = VCC x IC
dan karena itu efisiensi Penguat (Amplifier) Kelas-A diberikan sebagai:
Trafonsformator output meningkatkan efisiensi penguat dengan mencocokkan impedansi beban dengan impedansi output penguat (amplifier). Dengan menggunakan transformator output atau sinyal dengan rasio belokan yang sesuai, efisiensi penguat kelas-A mencapai 40% dimungkinkan dengan penguat daya jenis pengaut Kelas-A yang tersedia secara komersial dengan jenis konfigurasi ini.
Namun, transformator adalah perangkat induktif karena belitan dan intinya sehingga penggunaan komponen induktif dalam rangkaian switching amplifier sebaiknya dihindari karena setiap ggl kembali yang dihasilkan dapat merusak transistor tanpa perlindungan yang memadai.
Kelemahan besar lainnya dari jenis trafo yang digabungkan dengan rangkaian penguat ini adalah biaya dan ukuran tambahan dari trafo audio yang dibutuhkan.
Jenis "Kelas" atau klasifikasi yang diberikan penguat benar-benar tergantung pada sudut konduksi, porsi 360° dari siklus bentuk gelombang input, di mana transistor melakukan. Pada penguat Kelas A, sudut konduksi adalah penuh 360° atau 100% dari sinyal input, sedangkan di kelas penguat lainnya transistor melakukan selama sudut konduksi lebih rendah.
Dimungkinkan untuk mendapatkan output daya dan efisiensi yang lebih besar daripada penguat Kelas A dengan memakai dua transistor komplementer pada tahap output dengan satu transistor menjadi tipe transistor NPN atau N-channel sedangkan transistor lainnya adalah transistor PNP atau channel-P (melengkapi) jenis yang terhubung dalam apa yang disebut konfigurasi "push-pull".
Jenis konfigurasi penguat daya ini umumnya disebut Penguat (Amplifier) Kelas B dan merupakan jenis lain dari rangkaian penguat audio yang akan kita lihat di tutorial berikutnya.