Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp

Transkripsi

1 Jurnal Teknik Elektro ol. 4, No., September 004: 9-99 Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp Handry Khoswanto, Yohanes T.D.S, wan Wahyudi Fakultas Teknologi ndustri, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen etra Abstrak ada umumnya amplifier konvensional melibatkan jalur power supply (ground) yang berhubungan dengan jalur audio. Hal ini mengakibatkan pengolahan sinyal audio akan muncul HM (nterval Hum Modulation) noise. Oleh karena itu, untuk dapat menekan timbulnya noise seminimal mungkin, maka dibuat sebuah amplifier yang tidak bereferensi pada ground power supply. Amplifier tersebut harus benar-benar balance dari input sampai ke output. Untuk merealisasikan balance amplifier tersebut maka ditetapkan spesifikasi klas AB push-pull dengan daya rms sebesar 10 Watt dan lebar bandwidth antara 50 sampai 10kHz. ada power amplifier digunakan sistem rangkaian complementary pairs sebagai penguat arus. Berdasarkan hasil pengujian ternyata daya output yang keluar ke speaker hanya 110 Watt dengan tegangan supply volt dan memiliki lebar bandwidth antara 30 Hz sampai 15 Hz dengan penguatan sebesar 13.5 db. Sedangkan pengujian cacat signal juga dilakukan dengan membandingkan antara balanced power amplifier dan unbalanced power amplifier dan hasilnya balanced power amplifier memiliki HM noise jauh lebih kecil dibandingkan unbalanced power amplifier. Kata kunci: balance amplifier, push-pull, klas AB, op-amp. Abstract Conventional amplifier usually uses ground power supply as a signal reference. So it caused the conventional amplifier has HM noise (nterval Hum Noise Modulation). The system of amplifier must be really balance from the input to output in order to minimalize the noise. This research make a balance amplifier class AB push-pull with power rms 10 Watt and frequency bandwidth between 50Hz to 10kHz. This amplifier use complementary pair as a current-driver. The Experimental result show that the balanced amplifier has power output only 110 Watt, olt operating voltage and have a bandwidth from 30 Hz until 15 KHz, gain 13,5 db. Beside that the Experimental result, balanced power amplifier also has very small HM compared with unbalanced power amplifier. Keywords: balance amplifier, push-pull, class AB, op-amp. 1. endahuluan Saat ini kebutuhan entertainment tidak dapat dipisahkan dari kehidupan manusia. Bahkan dunia entertainment berkembang dengan sedemikian pesatnya. Salah satu bentuk entertainment yang sangat berkembang adalah perangkat audio. Audio tidak dapat dipisahkan dari produksi dan reproduksi musik. Untuk mereproduksi musik ada beberapa perangkat audio yang sangat menunjang kualitas musik itu sendiri yaitu amplifier dan speaker. Dalam bahasan makalah ini lebih ditekankan pada amplifier secara khusus. Terkadang ampli fier belum dapat memenuhi kepuasan pengguna. Catatan: Diskusi untuk makalah ini diterima sebelum tanggal 1 Desember 004. Diskusi yang layak muat akan diterbitkan pada Jurnal Teknik Elektro volume 5, nomor 1, Maret 005. Hal ini disebabkan karena amplifier tersebut memiliki kualitas suara yang kurang sempurna yang diakibatkan oleh timbulnya gangguan suara atau biasa disebut noise. Noise yang dimaksud disini adalah hum noise. Dengan adanya masalah-masalah di atas maka timbul gagasan untuk membuat amplifier yang diharapkan dapat memuaskan konsumen. Hal ini dapat dipenuhi dengan meningkatkan kualitas dari amplifier tersebut. Faktor-faktor yang perlu diperhatikan dalam peningkatan kualitas adalah dengan pengurangan hum noise, peningkatan kualitas dari output, dan lain-lain.. Balanced Amplifier ada umumnya amplifier konvensional melibatkan jalur ground power supply yang berhubungan dengan jalur audio. Sehingga dalam 9 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra

2 Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp [Handry Khoswanto et al.] pengolahan sinyal audio akan muncul HM (nterval Hum Modulation) noise. Apabila diamati pada gambar 1, hum noise ini terutama berasal dari power supply yaitu sisa ripple tegangan jala-jala 50Hz yang mengalir masuk pada jalur ground dan kemudian ikut masuk kembali ke input amplifier. Selain itu HM juga dapat berasal dari pergerakan konus speaker yang menimbulkan GGL induksi lawan pada jalur ground. Sisa ripple dan GGL induksi speaker menyebabkan jalur ground yang seharusnya nol menjadi tidak sempurna nol. HM hasil dari amplifier konvensional memenuhi bidang frekuensi audio mulai dari 0 Hz sampai 0 khz. Gambar 1. Amplifier Konvensional balance mulai dari input sampai output. Seperti terlihat pada gambar, balance amplifier ini sama sekali tidak melibatkan jalur ground power supply pada sinyal audio. Karena amplifier ini tidak bereferensi pada ground, maka HM dari amplifier diharapkan dapat ditekan menjadi kecil. Balance amplifier ini menggunakan rangkaian yang simetris baik power supply, input dan output tanpa melibatkan jalur ground sama sekali. Grafik HM balance amplifier menurun 40 db mulai dari frekuensi 00 Hz sampai 0 khz. 3. enguat Daya enguat daya adalah penguat yang mampu menghasilkan daya output yang besar. stilah daya sendiri memiliki komponen tegangan dan komponen arus. Oleh karena itu untuk membentuk sebuah penguat daya harus terdiri atas penguat tegangan dan penguat arus. Dalam kasus ini penguat tegangan dapat dibentuk oleh sebuah konfigurasi common emitter dan penguat arus dapat dibentuk oleh konfigurasi common collector. Untuk menghasilkan daya ouput yang besar, maka diperlukan sistem penguat yang mempunyai impedansi output yang rendah. Karena dengan impedansi output yang rendah maka tidak akan membebani rangkaian yang didepannya. 3.1 enguat Daya Kelas B Rangkaian dasar penguat klas B menggunakan dua transistor, yang satu transistor jenis NN dan yang satunya lagi transistor jenis N. Emitor kedua transistor tersebut berhubungan dengan tahanan beban, R L. Sedangkan sinyal input dimasukkan pada basis dari kedua transistor tersebut. Gambar dari rangkaian dasar penguat klas B ditunjukkan pada gambar di bawah ini : Gambar. Balance Amplifier Untuk memperkecil hum noise tersebut perlu dipergunakan amplifier yang benar-benar Gambar 3. enguat Daya Klas B Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra 93

3 Jurnal Teknik Elektro ol. 4, No., September 004: 9-99 Jika diberi sinyal input positif, maka transistor NN (Q 1 ) akan aktif dan transistor N (Q ) cutoff. Begitu juga sebaliknya, jika diberi sinyal input negatif, maka transistor NN (Q 1 ) cut-off dan transistor N (Q ) aktif. Jadi transistor NN (Q 1 ) meneruskan sinyal input positif dan transistor N (Q ) akan meneruskan sinyal input negatif, sehingga akan dihasilkan sinyal output yang lengkap. erhitungan daya penguat kelas B adalah sebagai berikut ini : Tegangan rms diketahui sebagai berikut : (1) Sedangkan arus rms adalah : () R (3) L. Sehingga dari sini diketahui bahwa daya yang keluar ke speaker (rms) atau daya beban adalah sebagai berikut :. (4) (5). RL Bila penguat menerapkan dual power supply maka tegangan dihitung dari cc sampai +cc SULY.. CC Sehingga daya beban pada penguat dual power supply adalah : (. ). R L 4. (6). RL Diketahui daya disipasi transistor ( D ) dirumuskan sebagai berikut : DC (9). RL Daya power supply yang mengalir adalah :. SULY DC SULY (10). RL Karena menggunakan double supply maka daya total dari power supply adalah : SULY( TOTAL). (11). RL Oleh karena itu efisiensi daya maksimum dari penguat klas B adalah : OUT % Efisiensi (100. ) SULY(TOTAL). RL % Efisiensi (100. ).. RL % Efisiensi (100. ) 4 % Efisiensi 78,5% (1) 3. enguat Daya Kelas AB enguat daya klas AB sebenarnya hampir sama dengan penguat klas B. erbedaannya hanya terletak pada pemasangan dioda pada masingmasing basis dari kedua transistor untuk klas AB. emasangan dioda ini akan menghilangkan cacat yang terjadi pada penguat daya klas B. Karena pada saat tegangan input, v i 0, maka tegangan basis, v B 0,7. Maka dari itu pada penguat klas AB tidak terdapat cacat pada sinyal outputnya seperti pada klas B. Gambar dari penguat klas AB diperlihatkan pada gambar di bawah ini. D (7). RL Tegangan DC: DC (8) Arus DC : DC Gambar 4. enguat Daya Klas AB 94 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra

4 Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp [Handry Khoswanto et al.] 3.3 Negative Feedback N β. Z N OUT (1) N Gambar 5. enguat dengan Negative Feedback Bila negative feedback dipasang pada penguat tegangan loop terbuka Ao, dengan sebagian β diumpan balik ke input seperti terlihat pada gambar di atas, maka penguatan tegangan loop tertutup A diberikan oleh A 1+ β. A (13) O Bila tegangan input in dimasukkan pada input amplifier maka OUT A. N (14). N OUT (15) 1+ β. A O ada saat ouput dihubungkan, out sama dengan nol, maka factor feedback juga nol sehingga amplifier berubah menjadi loop terbuka. Jika impedansi output, Z o dari loop terbuka amplifier, arus output short-circuit diberikan oleh. N isc (16) ZO Sekarang impedansi output Z, dengan feedback, diberikan oleh OUT Z (17) i SC. N ZO Z. 1+ β.. N (18) ZO Z 1+ β. A (19) O Jadi tampak bahwa impedansi output dengan feedback tegangan akan dikurangi dengan factor 1. Kemudian tegangan pada impedansi (1 + βa0) input Z in adalah : e N β. OUT (0) Oleh karena itu arus input Jika Z in adalah impedansi input dari amplifier dengan feedback maka ' N Z N () N ' N Z N (3) 1 β. A N ( ) Z N Dengan mengganti A0 A 1+ βa0 Maka : ' Z N ZN (1 + β. ) (4) Jadi tampak bahwa impedansi input bertambah besar dengan faktor : (1+βA 0 ) 4. erencanaan ower Amplifier erencanaan sistem yang akan dibahas meliputi beberapa bagian yaitu bagian penggerak depan (voltage amplifier signal) dan penguat arus (current amplifier). erencanaan balance amplifier yang diinginkan memiliki spesifikasi sebagai berikut : Daya rms ( ) 10 Watt mpedansi beban 8 Ω 4.1 enguat Arus Untuk beban (loudspeaker), perancangan penguat arus balance menggunakan pasangan transistor NN dan N yang memiliki karakteristik yang sama. Diketahui bahwa rms 10 Watt dan impedansi beban (loudspeaker) 8 Ω, maka :. R (5) volt CC L Berdasarkan pada persamaan 3 yang telah dibahas di atas, maka arus maksimum yang lewat ke loudspeaker adalah R L. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra 95

5 Jurnal Teknik Elektro ol. 4, No., September 004: A Gambar dari rangkaian penguat arus (currentdrive) adalah sebagai berikut : Gambar 6. enguat Complementary airs Berdasarkan pada gambar di atas, disini sama dengan c. Sedangkan daya disipasi transistor dapat dicari dengan menggunakan persamaan 7 sebagai berikut : D. RL D.8 D 61, Watt Dari perhitungan di atas, sebagai penguat arus digunakan transistor N, MJ955 dan transistor NN dengan type N3055, sebagai penguat push-pull. Diketahui spesifikasi dari pasangan transistor ini adalah : Daya (maks) 115 Watt c (maks) 15 Ampere CE (maks) 60 olt Untuk merancang penguat dengan daya output sesuai dengan spesifikasi maka diterapkan konfigurasi pasangan komplementer. asangan komplementer untuk transistor N MJ955, dipilih transistor NN BD139. Hubungan transistor NN dan N ini akan berfungsi sebagai suatu transistor NN yang memiliki penguatan arus, β dc total, yaitu perkalian β dc dari masing-masing transistor. Karena penguatan arus, β dc kedua transistor berbeda, supaya pasangan transistor ini bekerja sesuai dengan rancangan, maka dipasang tahanan Rs sebagai tahanan bias untuk transistor MJ955. Sedangkan pasangan komplementer untuk transistor NN N3055, dipilih transistor N BD140. Gambar 7. Rangkaian enguat Arus Dari perhitungan sebelumnya diketahui : cc p olt rms c (maks) Ampere Dari data sheet diketahui β dc dari masing-masing transistor adalah : β dc Q1 50 ( β dc dari transistor BD139 dan BD140) β dc Q 50 ( β dc dari transistor MJ 955 dan N3055) Maka B bisa dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut : C B (6) β DC( Q) B 50 B 40mA Setelah nilai dari B ketemu, maka B1 juga dapat dicari nilainya : C1 B1 β DC( Q1) B B1 (7) βdc( Q1) 40 B1 50 0, B 1 8mA Tegangan pada R 3 diset 0,7olt dan arus yang mengalir pada R 3 maksimum adalah sebesar A. Oleh karena itu R 3 dapat diperoleh nilainya. 96 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra

6 Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp [Handry Khoswanto et al.] R 3 0,7 R 3 0, 35Ω Karena disipasi daya yang dikonversikan menjadi panas pada resistor cukup tinggi maka digunakan nilai daya yang lebih tinggi yaitu 5 Watt. ada rangkaian penguat arus kali ini digunakan dioda dengan tipe 1N400. Dioda disini berfungsi sebagai kompensasi terhadap transistor. Kita asumsikan arus yang mengalir pada R1 adalah sebesar 50 kali dari arus B1 sehingga arus yang mengalir pada R1 sebesar 40mA. CC D R1 (8) R3 0,7 R ,5Ω 510Ω R 1 Daya yang bekerja pada R 1 dicari dengan menggunakan rumus : R 1 R 1. R 1 (9) 1,3.40 R1 R1 0,85Watt Karena disipasi daya yang dikonversikan menjadi panas pada resistor cukup tinggi maka digunakan nilai daya yang lebih tinggi yaitu Watt. Untuk menentukan harga R, pertama-tama harus tahu berapa arus yang lewat pada R. ada gambar 6 arus yang melewati R adalah e 1. Sedangkan diketahui bahwa e 1 b 1 + c 1. Karena b 1 harganya sangat kecil maka dapat diabaikan. Sehingga e 1 c 1. Setelah kita tahu harga R, langkah selanjutnya adalah mencari R. ada data sheet, diketahui tegangan pada dioda 1N 400 adalah 0,8. Dari rangkaian 7 maka didapat harga R 0,8-0,7 0,1. Maka besarnya nilai R adalah : R R R R R 01, volt 40mA 5Ω Ω Dari analisa DC diketahui: R1510Ω RΩ R30,33Ω RL8Ω β dc1 50 β dc 50 rπ 1 dc gm 0,486 (30) rπ dc gm 0,486 (31) o Z r [gm.rπ 1.rπ -1- gm.rπ 1 ].R L i 1960 Maka impedansi input dari penguat arus diketahui dengan perhitungan: i Zi R1 //(rπ1 + Zr) (33) i 510 //( ) 409Ω enguatan tegangan diperlihatkan dengan perhitungan sebagai berikut: Zr Avi (34) R1+ rπ , enguatan arus dapat dicari dengan perhitungan sebagai berikut: Zi Ai Avi (35) RL 409 3, enguat Tegangan erencanaan balance amplifier ini menggunakan op-amp FET sebagai penguat tegangan (voltagedrive), yang dirangkai dalam mode penguat differensial amplifier, seperti diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Gambar 8. Rangkaian enguat Tegangan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra 97

7 Jurnal Teknik Elektro ol. 4, No., September 004: 9-99 Dari persamaan pada dasar teori, diketahui penguatan loop tertutup : Rf Av (36) Ri erencanaan gain pada penguat tegangan, A v adalah sebesar 5 kali. Bila tahanan input R i ditentukan,kω, tahanan R f diketahui dengan perhitungan: Rf (Ri Av) (37),kΩ 5 11kΩ 10kΩ ada rancangan kali ini digunakan op-amp TL07 yang mempunyai karakteristik low noise. Untuk mencegah tegangan DC yang masuk ke rangkaian penguat berikutnya maka dipasang kapasitor kopling Ci. Harga dari kapasitor kopling Ci adalah 10µF. Frekuensi yang dapat dikuatkan oleh penguat, ditentukan oleh kapasitor C f dan tahanan R f yang dirangkai secara paralel. ada rancangan kali ini frekuensi yang dikuatkan adalah frekuensi tengah yaitu 1kHz. Sehingga harga kapasitor C f dapat dicari dengan rumus : Rf Xc 1 Rf (38) π.f.cf Maka : 1 Cf π.1khz.10 kω 15,9nF 15nF Rangkaian lengkap voltage amplifier signal diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Untuk membentuk tegangan output balance, maka dirancang dua penguat simetris untuk jalur hot maupun jalur cold. 5. engujian Sistem engujian terhadap power amplifier dilakukan saat bass dan treble pada tone control yang diinputkan dalam kondisi flat. Maka dari itu, input dari power amplifier sama dengan sinyal output pada tone control saat kondisi flat. engujian dilakukan dengan memberikan gelombang sinusoidal dengan frekuensi antara 30 Hz sampai dengan Hz. Hasil pengujian tampak seperti tabel di bawah ini. Tabel 1. engujian enguatan ower Amplifier Tegangan Frekuensi Gain (Hz) N / OUT / (db) (olt) (olt) 30 0,8 3,8 13,5 50 0,8 3,8 13,5 70 0,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13,5 00 0,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,8 13, ,8 3,7 13, ,8 3,7 13, ,8 3,7 13, ,8 3, ,8,5 9, ,8 1 Gain (kali) Frekuensi (Hz) Gain Gambar 10. Grafik Balanced ower Amplifier Saat Tone Control Dalam Kondisi Flat Gambar 9. Rangkaian Balance oltage Amplifier Signal Dari grafik terlihat bahwa respon frekuensi pada power amplifier hampir merata dari frekuensi rendah sampai frekuensi tinggi, yaitu mulai dari frekuensi 30Hz sampai 15kHz. ada frekuensi di atas 0kHz gain mulai menurun. 98 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra

8 Balanced Amplifier dengan Menggunakan Driver Op Amp [Handry Khoswanto et al.] engujian terhadap power amplifier juga dilakukan dengan menggunakan oscilloscope. Dari hasil pengujian ini dapat dilihat bahwa sinyal output dari balanced power amplifier tidak mempunyai noise. Dari hasil pengukuran tegangan tertinggi pada Hot dan Cold adalah sebesar 4 volt. Sehingga daya output dapat dicari dengan menggunakan rumus: p o (39).RL 6. Kesimpulan Gambar 11. Sinyal Output Balanced ower Amplifier engujian dengan menggunakan oscilloscope juga dilakukan terhadap unbalanced amplifier. Ternyata dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa sinyal output unbalanced amplifier mempunyai noise yang cukup tinggi. Sinyal tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini. Beberapa kesimpulan dapat diperoleh dari hasil pengujian dan analisa rangkaian adalah sebagai berikut : 1. ada pengujian pengamatan signal pada oscilloscope, noise pada balance power amplifier lebih kecil dibandingkan dengan unbalance power amplifier. Berdasarkan hasil uji dengar, masih terdapat noise pada balance power amplifier.. Berdasarkan hasil pengujian ternyata daya output yang keluar ke speaker hanya 110 Watt dengan tegangan supply volt dan memiliki lebar bandwidth antara 30 Hz sampai 15 Hz dengan penguatan sebesar 13.5 db. Daftar ustaka Gambar 1. Sinyal Output Unbalanced ower Amplifier 5.1 engukuran Daya Output ada pengukuran daya output dilakukan dengan mengukur tegangan output hot dan cold balance power amplifier. Sebagai tahanan beban digunakan dummy load sebesar 8 ohm. engukuran daya output diperlihatkan seperti pada gambar di bawah ini. [1] Boylestad, Robert. Electronics Device and Circuit Theory. New Jersey: rentice Hall Career & Technology, 199. [] Stover, Wm A. Circuit Design for Audio, AM/FM, and T. New York: McGraw Hill Book Company, [3] Coughlin, Robert F. Operational Amplifier and ntegrated Circuit. New Jersey: rentice Hall Career & Technology, 198. Gambar 13. engukuran Daya Output Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi ndustri Universitas Kristen etra 99