Penguat Kelas-D dengan RWDM

Transkripsi

1 National Conference: Design and Application of Technology 00 Penguat Kelas-D dengan RWDM Budihardja Murtianta Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Kristen Satya Wacana Jalan Diponegoro 5 60, Salatiga 507, Indonesia Telp. (098) 3884 Fax. (098) budihardja@yahoo.com ABSTRAK Penguat kelas D dengan RWDM (Rectangular Wave Delta Modulation) merupakan pengembangan dari penguat kelas D yang dapat digunakan sebagai penguat atau modulator lebar pulsa. Keluaran penguat berupa lebar pulsa yang berbeda akan menghasilkan nilai rerata keluaran yang berbeda pula. Penguat ini tidak memerlukan pembangkit gelombang segitiga seperti pada penguat kelas D karena gelombang segitiga sudah dapat dihasilkan dari untai integrator yang merupakan umpan balik darikeluaran penguat. Titik kerja penguat pada saturasi dan cut-off sehingga penguat sangat efisien karena disipasi daya sangat kecil. Pengaruh frekuensi masukan, frekuensi pemodulasi, frekuensi penggal tapis dan histerisis pembanding pada penguat diamati pada penelitian ini. Hasil penelitian menunjukkan frekuensi penggal LPF harus jauh di bawah frekuensi pensakelaran dan dekat dengan frekuensi harmonik tertinggi dari sinyal yang diinginkan agar sinyal keluaran identik dengan sinyal masukan.. PENDAHULUAN Penguat kelas D memerlukan untai pembangkit gelombang segitiga tersendiri sebagai pembawa, sedang pada RWDM gelombang segitiga itu diperoleh dari bagian keluaran penguat yang diumpan balikkan. Untuk dapat lebih memahami prinsip RWDM yang diterapkan pada penguat kelas D maka pada tulisan ini akan dibahas tentang penguat kelas D terlebih dahulu kemudian dibahas prinsip kerja dan karakteristik RWDM. Pengaruh frekuensi masukan, frekuensi pemodulasi, frekuensi penggal tapis pada penguat diamati pada penelitian ini. Pada tulisan ini juga akan diberikan hasil-hasil penelitian untuk penguat kelas D dan penguat kelas D dengan RWDM.. PENGUAT KELAS D Penguat kelas D adalah penguat yang keluaran transistor dioperasikan sebagai sakelar. Saat transistor off, arus yang mengalir adalah nol dan saat on, tegangan padanya sangat kecil yang secara ideal adalah nol. Sehingga untuk tiap kondisi baik saat on maupun off disipasi daya pada penguat tersebut sangat rendah. Hal ini meningkatkan efisiensi karena membutuhkan daya yang sedikit dari catu daya dan pendingin penguat yang lebih kecil. Gambar menunjukan untai dasar penguat kelas D secara sederhana []. Di situ digunakan catu daya bipolar V+ dan V- dimana V+ V-. Penguat terdiri dari penguat MOSFET yang dioperasikan sebagai sakelar. Pada bagian masukan penguat digunakan pembanding dengan masukan inverting dan non-inverting dimana sinyal audio dimasukan pada masukan inverting dan pada masukan noninverting diberi sinyal masukan gelombang segitiga. Frekuensi gelombang segitiga harus relatif jauh lebih tinggi daripada frekuensi sinyal audio. Tegangan keluaran pembanding dapat ditulis sebagai: Vc - V untuk Vs > Vt dan Vc + V untuk Vs < Vt

2 National Conference: Design and Application of Technology 00 M sinyal Vs _ Vc Vo L Vo Comp. segitiga + Vt C M +V -V Gambar. Dasar penguat kelas D Tegangan itu diumpankan ke masukan dari MOSFET. Tiap transistor beroperasi sebagai sakelar. Saat Vc - V, M on dan M off. Jika tegangan jatuh pada M diabaikan maka Vo V+. Begitu pula saat Vc +V, M on dan M off, maka Vo V-. Pada prakteknya terdapat sedikit tegangan jatuh pada MOSFET sehingga tegangan puncak pada keluaran lebih rendah daripada tegangan catu. Saat Vs 0, Vo berupa tegangan kotak yang simetris. LPF pada keluaran penguat terdiri dari L dan C melewatkan nilai rerata dari gelombang kotak menuju beban dan dalam hal ini 0 seperti yang ditunjukkan pada Gambar. Jadi Vo 0 untuk Vs 0. Vo Gambar. Keluaran Vo dari LPF yang merupakan rerata dari gelombang kotak Pada Gambar 3 berikut menunjukan bentuk sinyal keluaran jika sinyal masukan berupa sinusoida dengan frekuensi KHz dan amplitudo V serta gelombang segitiga dengan frekuensi 5 KHz dan amplitudo,5v. Tegangan catunya sebesar 5V. Saat Vs>0 duty-cycle gelombang kotak akan berubah dimana waktu saat aras positip lebih besar daripada waktu aras negatip. Hal ini mengakibatkan Vo akan mempunyai nilai rerata yang positip. Begitu pula sebaliknya saat Vs<0 keluaran Vo akan bernilai negatip. Bentuk gelombang keluaran Vo disebut dengan modulasi lebar pulsa. Tapis pasif L dan C akan melewatkan nilai rerata atau nilai frekuensi rendah daripada Vo ke beban dan akan menolak frekuensi-frekuensi harmonisa yang lebih tinggi daripada gelombang pensakelaran. Bati efektip penguat dapat ditentukan dengan memberi tegangan searah pada masukan yang dalam hal ini masukan inverting pembanding dan menghitung rasio <Vo > terhadap Vs dimana <Vo > adalah nilai rerata Vo. Jika Vs naik maka <Vo > akan naik secara linear dan maksimal Vop, yang dalam hal ini sehubungan dengan tegangan clipping dari keluaran. Hal ini terjadi saat Vs Vtp dan bati efektip: k <Vo >/Vs Vop/Vtp

3 National Conference: Design and Application of Technology 00 Vop Vo Vtp Vt -Vtp Vs -Vop Gambar 3. Bentuk sinyal keluaran dan masukan Nisbah pindah tapis Vo/Vo dapat diturunkan sebagai berikut: Xc// / jwc / jwc jwc. Vo Xc// Vo' Xc// Xl /( jwc. ) /( jwc. ) jwl ( jw) L. C jwl/ Vo Vo' ( s / w ) ( Qc)( s / w ) c s jω ; ω c f c c L. C ; Qc /ω c..c f c adalah frekuensi resonansi dan Qc adalah faktor kualitas []. Tapis LC tersebut merupakan LPF orde dua dimana faktor kualitas Qc diatur 0,707 agar diperoleh pelemahan isyarat sebesar 3 db pada titik frekuensi penggal dan tanggapan yang datar pada frekuensi di bawah titik frekuensi penggal serta pelemahan dengan kemiringan 40 db/ dekade pada frekuensi di atas titik frekuensi penggal. Agar distorsinya minimum, frekuensi gelombang segitiga harus dibuat setinggi mungkin dibanding frekuensi penggal dari tapis. Saat frekuensi sinyal mencapai frekuensi penggal tapil maka fasa dari sinyal tersebut akan tertinggal sebesar 90. Pada keluaran Vo terdiri dari frekuensi dasar sinyal masukan fs dan frekuensi harmonisa hasil pensakelaran yang tidak dapat diabaikan : ft, ft ± fs, ft ± fs, ft ± 3fs dan seterusnya []. Frekuensi terendah di sini adalah ft fs. Frekuensi gelombang segitiga harus dipilihcukup tinggi sehingga frekuensi harmonisa terendah masih lebih tinggi dari frekuensi sinyal yang diinginkan. Dengan demikian diperoleh persyaratan ft fs >> fs atau ft >>3fs. Untuk meminimalkan riak pada keluaran, frekuensi penggal dari tapis LC harus jauh di bawah frekuensi gelombang segitiga ft [3]. Berdasarkan ketentuan dan rumus di atas maka tapis LPF pada Gambar akan diperoleh nilai L 900 uh, C 8 uf untuk beban 8 ohm.. Tanggapan frekuensi dari tapis tersebut ditunjukkan pada Gambar 4 berikut.

4 National Conference: Design and Application of Technology 00 0dB -40dB 0Hz KHz 00KHz Gambar 4. Tanggapan frekuensi LPF Gambar 5 adalah bentuk isyarat pada keluaran dengan besar frekuensi pembawa 5 kali dari frekuensi sinyal dan frekuensi penggal LPF sama dengan frekuensi sinyal masukan yaitu KHz. Tampak bentuk keluaran berupa gelombang sinusoida yang sama dengan bentuk sinyal masukan. Gambar 6 adalah isyarat pada keluaran dimana frekuensi penggal LPF dinaikkan sebesar 5 kali frekuensi sinyal masukan sedang frekuensi pembawa berupa gelombang segitiga tetap. Tampak bentuk sinyal keluaran berupa sinusoida dengan riak. Riak tersebut akibat harmonisa frekuensi pensakelaran. Gambar 7 adalah sinyal pada keluaran jika sinyal pada masukannya diganti dengan bentuk gelombang segitiga Gambar 5. Frekuensi penggal tapis sama dengan frekuensi sinyal KHz dan frekuensi gelombang segitiga 5 KHz Gambar 6. Frekuensi penggal tapis 5 kali frekuensi sinyal

5 National Conference: Design and Application of Technology 00 Gambar 7. Bentuk sinyal keluaran dengan masukan gelombang segitiga Penguat kelas D ini dapat dikembangkan dengan menggunakan teknik RWDM (Rectangular Wave Delta Modulation) dan RWDM ini akan menggantikan fungsi dari gelombang pembawa yang berupa gelombang segitiga. 3. RWDM (RECTANGULAR WAVE DELTA MODULATION) Sinyal Er(t) Pembanding sinyal RWDM Vi(t) +++ Vm(t) + - Vc(t) Integrator Batas atas aras V Vc(t) Vi(t) Sinyal RWDM Vm(t) T Batas bawah aras Gambar 8. RWDM Prinsip operasi RWDM dapat dijelaskan dengan bagan pada Gambar 8 [4]. Sinyal masukan Vi(t) dibandingkan dengan sinyal umpan balik atau gelombang pembawa Vc(t) yang diperoleh dengan mengintegrasi isyarat termodulasi Vm(t), menghasilkan sinyal kesalahan (error) Er(t). Sinyal keluaran termodulasi Vm(t) mempunyai dua nilai yaitu +Vs dan Vs dan selang waktu pencapaian antara kedua aras ditentukan oleh kemiringan (slope) dari sinyal masukan Vi(t). Di sini tampak sinyal umpan balik Vc(t) menjejak(track) sinyal masukan Vi(t) dalam batas aras atas dan aras bawah sebesar ± V. Dengan asumsi frekuensi pensakelaran modulator cukup tinggi sehingga bagian kecil dari sinyal masukan dapat digambarkan sebagai sebuah garis lurus Jika Si(t) kemiringan sinyal masukan, Sc(t) kemiringan sinyal pembawa dan ± V tegangan histerisis, maka durasi T dari satu perioda lengkap dari keluaran modulator diberikan sebagai :

6 National Conference: Design and Application of Technology 00 4 Sc Frekuensi pensakelaran pada keluaran modulator adalah : VSc Si ( t) T () Sc Si( t) f () T 4 V Sc Untuk sinyal masukan sinusoida Vi(t) Vi sinωt kemiringan sesaat dari sinyal masukan tersebut adalah: Frekuensi pensakelaran keluaran modulator adalah: Si(t) ωvi cosωt (3) f Sc 4 V V Sc cos t (4) Pada persamaan (4) menunjukkan : - frekuensi pensakelaran modulator mencapai nilai maksimum f Sc/4 V pada ωt k( /) dimana k adalah bilangan ganjil. - frekuensi pensakelaran modulator minimum f (Sc/4 V)[ (ωvi/sc) ] yang akan menghasilkan pulsa yang maksimum pada keluaran modulator. Rerata frekuensi pensakelaran modulator diperoleh dari rata-rata frekuensi pensakelaran modulator sesaat pada beberapa perioda sinyal masukan dan diperoleh : Sc Vi favg (5) 4 V Sc 4. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN Berdasarkan bagan dan prinsip kerja dari RWDM di atas maka berikut dibuat untai RWDM secara sederhana yang ditunjukkan pada Gambar 9 dan sinyal RWDM dapat dilihat pada Gambar 0 untuk masukan sinyal sinusoida dengan frekuensi KHz. Besarnya tegangan histerisis Vh ditentukan oleh : R Vh xvcc R R (6) Keluaran integrator adalah : Vc(t) Vm() t t R3. C (7)

7 National Conference: Design and Application of Technology 00 R Input Vi(t) R C Out Vm(t) Vc(t) R6 R5 R4 R3 Gambar 9. Untai RWDM Gambar 0. Keluaran RWDM Gambar, dan 3 menunjukkan bentuk sinyal-sinyal pada RWDM dengan frekuensi sinyal masukan KHz dan 0 KHz serta pengaruh besarnya tegangan histerisis pembanding. Masukan inverting pembanding Masukan non-inverting pembanding Keluaran pembanding Gambar. Sinyal-sinyal RWDM dengan masukan sinusoida KHz

8 National Conference: Design and Application of Technology 00 Gambar. Sinyal-sinyal RWDM dengan masukan sinusoida 0KHz Gambar 3. Sinyal-sinyal RWDM dengan masukan sinusoida KHz dan tegangan histerisis diperbesar 5. KESIMPULAN - Frekuensi pensakelaran harus relatif jauh di atas frekuensi sinyal masukan. - Frekuensi penggal LPF relatif jauh di bawah frekuensi pensakelaran. - Frekuensi penggal LPF relatif jauh di atas frekuensi sinyal masukan yang tidak berupa sinusoida. - Parameter-parameter yang mempengaruhi frekuensi RWDM adalah: - Besar histerisis V, yang ditentukan langsung oleh nilai tegangan Lower Trip Point dan Upper Trip Point pada histerisis dari pembanding. - Bati integrator Sc, yang ditentukan oleh tetapan waktu integrator pada umpan balik. - Amplitudo sinyal masukan. 6. REFERENSI []. Kendall/Hunt. (00), The Class-D Amplifier, Available:[ ~mleach/ece4435/f0/classd.pdf] ( Desember 009) []. Williams, Arthur B.&Taylor, Fred J.(98), Electronic Filter Design Handbook, McGraw-Hill, New York, p 5- p 5-5 [3]. Krauss, Herbert L. dan Bostian, Charles W. (990), Teknik Radio Benda Padat, Universitas Indonesia, Jakarta, p 5. [4]. Sooksood, Kriangkrai and Ngarmnil, Jitkasame. (005), Rectangular Wave Delta Modulation Buck Regulator with 95.6% Efficiency, The Journal of KMITNB, Vol. 5 No. 4.